Механико-технологические основы повышения эффективности процесса центробежной очистки растительных масЕл в условиях сельскохозяйственных предприятий
| Вид материала | Автореферат |
- Обзор отрасли: производство растительных масел, 312.19kb.
- Технология адсорбентов для очистки растительных масел на основе диатомита и бентонита, 364.16kb.
- Организация производства приборов для автоматического определения кислотности растительных, 37.44kb.
- Голосования и тестирования votum как средство повышения эффективности процесса обучения, 113.22kb.
- «Обеспечение работы белорусских промышленных и сельскохозяйственных предприятий в современных, 158.57kb.
- «Обеспечение работы белорусских промышленных и сельскохозяйственных предприятий в современных, 165.49kb.
- Организация производства мобильных установок реутилизации и очистки стоков, 800.08kb.
- А. В. Колмыков Теоретические основы установления эффективности использования сельскохозяйственных, 852.49kb.
- Метод повышения эффективности некаталитической очистки отработавших газов судовых дизелей, 266.03kb.
- Республиканский информационный материал к единому дню информирования на тему: «Обеспечение, 339.31kb.
Время пребывания масла в роторе зависит от нормативных требований на качество очистки, то есть Т1 ≥Т .
F1 ≥ 28,8Fотв ρf ν(1+ ξ)/ (d2 ξ3 Δρ ε ω),
тогда разность плотностей очищенного в центрифуге масла и дисперсной фазы
Δρ ≥ 28,8Fотв ρf ν (1+ ξ)/ (d2 ξ 3 ε ωF1).
При ρf = 907,9кг/м3, ν = 0,52·10-4 м2с-1
Δρ ≥ 1,35 Fотв(1+ ξ)/(d2 ξ 3 ε ωF1).
Методом численного моделирования изучено влияние высоты Н ротора центрифуги ВФКЦ-1, тангенса угла наклона образующей конуса к вертикальной оси ротора tgQ, минимального радиуса внутренней обечайки ротора rmin на объем рабочего пространства центрифуги kц1 (19 )при постоянном радиальном расстоянии между внутренней и наружной обечайками ротора ℓ2 = 0,1 м.
В результате обработки экспериментальных данных по программе «Statistica-6» получено уравнение регрессии в раскодированном виде:
kц1 = 0,33+ 0,14rmin– 0,59tgθ – 0,94 H – 0,52 rmin tgθ + 1,84 rmin H+
+ 0,000001 tgθ H + 4,0 rmin2 + 0,36 tg2θ + 0,83 H2. (25)
При принятом уровне значимости р<0,05, критерий Фишера Fтабл= 5,4, уравнение значимо.
Проведенный анализ полученных результатов показывает, что уменьшение угла наклона образующей конуса ротора к вертикальной оси центрифуги приводит к увеличению рабочего пространства ротора.
На экспериментальной центрифуге ВФКЦ-2 с параметрам: kц1= 0,00181 м3 и [(Rmax Rmin)–(rmax rmin)]½ = 0,0382 м, методом численного моделирования выполнен анализ математической модели (22) по формуле
Δρ = (ρs– ρf ) = 82,8 Fотв / (ω Сц) (26)
получено уравнение регрессии в раскодированном виде
Δρ= ρоч.− ρf= 24,4 − 0,037ω– 1,1Fотв – 5596,4d + 0,0075ωFотв + 15,2ωd +
+404,2Fотвd – 0,00017ω2 – 0,2Fотв2 + 187500d2. (27)
Уравнение регрессии адекватно экспериментальным данным, так как расчетный критерий Фишера F=16,85 при доверительной вероятности р<0,05 больше табличного Fтабл= 5,4 при числе степеней свободы f1=3, и f2=5.
Из анализа экспериментальных данных следует, что увеличение частоты вращения ротора центрифуги, уменьшение эквивалентного диаметра частиц цеолита d и площади сечения отверстий на выходе масла из центрифуги Fотв приводит к улучшению качества очистки, то есть уменьшением производительности центрифуги путем регулирования площади сечения отверстий можно получить требуемое качество очистки.
В третьей главе «Исследование технологических характеристик растительных масел и цеолитовых фильтровальных перегородок» выполнено в соответствии с методическим комплексом (рисунок 7) исследований качественных показателей растительных масел
исследование соевого и подсолнечного масел, полученных прессованием. Плотность неочищенного соевого масла ρf = 944,4 кг/м3, а подсолнечного – ρf = 922,5 кг/м3.
Комплекс исследований качественных показателей растительных масел включает исследования:
– технологических характеристик растительных масел и цеолитовых фильтровальных перегородок;
– влияния параметров фильтровальной перегородки на процесс очистки растительных масел,
– показателей качества от параметрического комплекса и лабораторный анализ качественных показателей.
Проведены исследования зависимости плотности и кинематической вязкости соевого масла от температуры.
Рисунок 5. Зависимость плотности соевого масла ρ (кг/м3) очищенного при температуре 200С гидростатическим фильтрованием через слой цеолита высотой h = 1,4 м и эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,01 м от температуры t 0С
Рисунок 6. Зависимость плотности соевого масла ρ (кг/м3), очищенного при температуре 200С гидростатическим фильтрованием через слой цеолита высотой h = 1,4 м и эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,002 м от температуры
Многокрите-
риальная оптимизация конструктивно-кинематических параметров центрифуги
Рисунок 7. Методологический комплекс исследований качественных показателей растительных масел
При проведении исследований соевого масла использовали масло, полученное прессовым способом с последующей гидростатической очисткой при высоте слоя фильтрующего материала Н=1,4 м, температуре масла 20оС в процессе очистки и диаметре частиц фильтрующего материала (цеолита) 0,002 м и 0,01 м.
В результате обработки экспериментальных данных по программе «Excel» получены эмпирические уравнения, характеризующие влияние температуры на плотность очищенного масла ρ (кг/см3), полученного:
а) при эквивалентном диаметре частиц цеолита d = 0,01 м (рисунок 5)
ρ= 968,14 t -0,0121 , (28)
б) при эквивалентном диаметре частиц цеолита d = 0,002 м (рисунок 6)
ρ = 1015,6 t -0,03, (29)
где ρ – плотность соевого масла, кг/м3, t – температура соевого масла в процессе эксперимента, 0С.
Теснота связи между экспериментальными значениями и эмпирическим уравнением (28) характеризуется коэффициентами корреляции R = 0,957 и детерминации R2=0,9158, а уравнения (29) – R =0,999 R2=0,998.
При принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 5,44 больше табличного Fт= 4,8 уравнение (28) значимо.
Уравнение (29) значимо, так как при принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 249,5 больше табличного Fт= 4,8.
В результате исследований (рисунок 5) и (рисунок 6) установлено, что плотность масла, полученного фильтрованием через цеолит с эквивалентным диаметром частиц d = 0,01 м, с повышением температуры уменьшается с 934,4 кг/м3 (20оС) до 924,5 кг/м3 (50оС), а при d = 0,002 м − с 928,1 кг/м3 (20оС) до 902,8 кг/м3 (50оС).
При исследовании кинематической вязкости, в результате обработки экспериментальных данных, получены эмпирические уравнения:
а) при эквивалентном диаметре частиц фильтрующего элемента (цеолита) d = 0,01 м
ν = (–0,0084t + 0,6872)10-4, (30)
где ν – вязкость соевого масла, м2/с;
б) при эквивалентном диаметре частиц фильтрующего элемента (цеолита) d = 0,002 м
ν = (56,554 t -1,3832)10-4. (31)
Теснота связи между экспериментальными значениями и эмпирическим уравнением (30) характеризуется коэффициентом корреляции R = 0,993 и детерминации R2=0,9866, а уравнения (31) – R =0,981 R2=0,962.
При принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 36,8 больше табличного Fт= 4,8 уравнение (30) значимо.
Уравнение (31) значимо, так как при принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 12,66 больше табличного Fт= 4,8.
10-4 10-4
Рисунок 8. Зависимость от температуры t (°C) кинематической вязкости соевого масла ν (м2/с), очищенного при температуре 200С и полученного гидростатической фильтрацией через слой цеолита h = 1,4 м при d = 0,01 м
Рисунок 9. Зависимость от температуры t °C кинематической вязкости соевого масла ν (м2/с), очищенного при температуре 200С и полученного гидростатической фильтрацией через слой цеолита h = 1,4 м при d = 0,002 м
При эквивалентном диаметре частиц цеолита d = 0,01м кинематическая вязкость масла ν уменьшается при повышении температуры с 0,527∙10-4 м2/с (20оС) до 0,274∙10-4 м2/с (50оС) (рисунок 8), а при d = 0,002 м − с 0,524∙10-4 м2/с (20оС) до 0,249∙10-4 м2/с (50оС) (рисунок 9).
Из анализа полученных результатов следует, что плотность и кинематическая вязкость соевого масла уменьшаются с повышением температуры.
При исследовании технологических характеристик подсолнечного масла использованы
данные результатов исследования зависимости плотности «сырого» и очищенного подсолнечного масла от температуры.
Очистка сырого масла, полученного холодным прессованием, производилась путем отстоя в течение 24 часов и последующим центрифугированием при ω = 200 с-1 на лабораторной конической фильтрующей центрифуге ВФКЦ-3 с параметрами: минимальный радиус внутреннего вертикального ротора rmin = 0,04 м, высота ротора H = 0,135 м, радиальное расстояние между внутренней и внешней обечайками ротора ℓ2 = 0,028 м, угол наклона образующей конуса вертикальной оси равен 35o, площадь сечения отверстий на выходе очищенного масла Fотв = 3,53∙10-6 м2 и эквивалентный диаметр частиц фильтрующего материала (цеолита) d = 0,002 м.
Получены эмпирические уравнения, характеризующие влияние температуры на плотность «сырого» ρs (кг/см3) (ряд 1) и очищенного масла ρf (кг/см3) (ряд 2):
ρs=− 0,7038 t + 936,19, (32)
ρf = – 0,6975 t + 932,11. (33)
Рисунок 10. Зависимость плотностей «сырого» подсолнечного масла ρs (кг/м3) (ряд 1) и очищенного ρf (ряд 2) на центрифуге с эквивалентным диаметром частиц цеолита
d = 0,002 м от температуры (оС)
Рисунок 11. Зависимость разности плотностей очищенного масла и дисперсионной среды Δρ (кг/м3), полученного при частоте вращения ротора ω=200 с-1 и эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,002 м, от производительности W (кг/c) центрифуги ВФКЦ-3
Теснота связи между экспериментальными значениями и эмпирическим уравнением (32) характеризуется коэффициентом корреляции R = 0,998 и детерминации R2=0,9969, а уравнения (33) – соответственно R =0,997 и R2=0,9951.
При принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 160,8 больше табличного Fт= 4,8, следовательно, уравнение (32) значимо.
Уравнение (33) значимо, так как при принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 121,5 больше табличного Fт= 4,8.
Из анализа экспериментальных данных (рисунок 10) следует, что при температуре 20оС плотность «сырого» масла составляла 922,5 кг/м3, очищенного − 918 кг/м3, а при температуре 35оС соответственно 912 кг/м3 и 908 кг/м3. Плотность «сырого» подсолнечного масла при всех исследованных значениях температур выше, чем очищенного.
Этот эксперимент не позволяет количественно оценить влияние размеров частиц цеолита на качество очистки, необходимы дополнительные исследования, результаты которых приведены в главе 4.
По математической модели процесса очистки масел (16) выполнен численный эксперимент с целью оценки влияния производительности на разность плотностей очищенного масла и дисперсионной среды Δρ (кг/м3). Расчеты разности плотностей очищенного масла и дисперсионной среды произведены по разработанной новой программе DELTA RO. При расчете использованы конструктивные параметры экспериментальной центрифуги ВФКЦ-3, эквивалентный диаметр частиц цеолита 0,002 м и частота вращения ротора ω = 200 с-1.
По расчетным данным построен график (рисунок 11). В результате обработки расчетных данных по программе «Excel» получено эмпирическое уравнение
W = 0,121 Δ ρ + 0, 0019, (34)
где W – производительность центрифуги, кг/с; Δ ρ – разность плотности очищенного масла и дисперсной фазы, кг/м3.
Теснота связи между экспериментальными значениями и эмпирическим уравнением (34) характеризуется коэффициентом корреляции R = 0,982 и детерминации R2=0,965 .
При принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 13,8 больше табличного Fт= 4,8, следовательно, уравнение (34) значимо.
Анализ рисунка 11 показывает, чем меньше разность плотностей очищенного масла и дисперсионной среды, тем с меньшей производительностью необходимо настраивать работу центрифуги.
Методом численного моделирования получены данные зависимости плотности масла, очищенного на центрифуге с конструктивными параметрами ВФКЦ-3 при эквивалентном диаметре частиц цеолита d= 0,004 м и частоте вращения ротора ω = 50 с-1, 150 с-1, 250 с-1.
Из полученных данных (рисунок 12) следует, что лучшие качественные показатели имеет масло, очищенное в центрифуге с площадью отверстий для вывода очищенного масла из центрифуги Fотв=1,77·10-6 м2 при частоте вращения ротора центрифуги ω=150 с-1. В этом случае плотность увеличивается с увеличением площади отверстий для выхода очищенного масла с 898,1 кг/м3 при Fотв=1,77·10-6 м2 до 911,6 кг/м3 при Fотв=5,3·10-6м2.
Рисунок 12. Зависимость плотности
подсолнечного масла от площади отверстий на выходе масла из центрифуги ВФКЦ-3:
ряд 1– d = 0,004 м, ω=50 с-1;
ряд 2 – d = 0,004 м, ω=150 с-1;
ряд 3 – d = 0,004 м, ω=250 с-1
Во всех анализируемых случаях увеличение площади отверстий для выхода очищенного масла приводит к ухудшению очистки, плотность очищенного масла с увеличением площади отверстий на выходе очищенного масла из центрифуги увеличивается.
Исследованы зависимости технологических характеристик фильтровальных цеолитовых перегородок от размеров частиц цеолита.
.
Рисунок 13. Зависимость коэффициента пористости фильтровальной перегородки ξ от диаметра частиц цеолита d, м:
ряд 1 − цеолит, пропитанный соевым маслом, ряд 2 − цеолит сухой
Рисунок 14. Зависимость коэффициента порозности фильтровальной перегородки ε от диаметра частиц цеолита d, м:
ряд 1 − цеолит, пропитанный маслом,
ряд 2 − цеолит сухой
Экспериментальные данные использованы при построении графиков (рисунок 13 и рисунок 14) зависимости коэффициентов пористости ξ и порозности ε от диаметра частиц фильтрующего материала, используемого для очистки масел (цеолита).
В результате обработки расчетных данных получены следующие уравнения:
– зависимость коэффициента порозности ε от эквивалентного диаметра частиц цеолита, пропитанного маслом ε = 8 d+ 0,4047;
– зависимость коэффициента пористости ξ от эквивалентного диаметра частиц цеолита, пропитанного маслом ξ = 26,75 d+ 0,6715.
Из приведенных данных видно, что коэффициенты пористости и порозности цеолитовой фильтровальной перегородки увеличиваются с ростом диаметра частиц цеолита.
Это обстоятельство учтено при разработке теории фильтрования в вертикальных конических фильтрующих центрифугах.
На качество очистки растительных масел существенное влияние оказывают размерные характеристики фильтрующего материала, пористость и порозность, от которых зависит коэффициент проницаемости фильтровальных перегородок kс.
10-7 10-7
Рисунок 15. Зависимость коэффициента проницаемости kс (м2) сухой цеолитовой фильтровальной перегородки от эквивалентного диаметра частиц цеолита d (м)
Рисунок 16. Зависимость коэффициента проницаемости kс (м2) цеолитовой фильтровальной перегородки пропитанной соевым маслом от эквивалентного диаметра частиц цеолита d (м)
По расчетным значениям получены графики (рисунки 15 и 16) теоретической зависимости коэффициента проницаемости (kс) для фильтровальных перегородок из сухого цеолита и пропитанных соевым маслом.
Из анализа рисунка 15 следует, что теоретический коэффициент проницаемости сухой цеолитовой фильтровальной перегородки увеличивается с 0,097∙10-7 м2 при эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,002 м до 2,87 ∙10-7 м2 при эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,01 м.
Из анализа рисунка 16 можно сделать вывод, что коэффициент проницаемости цеолитовой фильтровальной перегородки, пропитанной соевым маслом, при эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,002 м составляет 0,058∙10-7 м2, а при эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,01 м увеличивается до 2,83 ∙10-7 м2.
Коэффициент проницаемости, полученный в эксперименте при использовании сухого цеолита, является значимым параметром фильтровальной цеолитовой перегородки, который обоснованно использован при разработке математической модели процесса очистки растительных масел в вертикальных фильтрующих конических центрифугах.
С целью оценки согласия экспериментальных и теоретических зависимостей коэффициента проницаемости от характеристик цеолита проведен эксперимент при фильтровании растительного масла через слой цеолита высотой L (м) при гидростатическом напоре H (м) по формуле
kс = VνL/FτHg, (35)
где V – объем соевого масла, прошедшего через слой цеолита, м3; ν – кинематическая вязкость соевого масла, м2/с; L – длина слоя цеолита, м; F – площадь поверхности осаждения, м2; τ – время прохождения масла через цеолит, с; H – гидростатический напор, м.
Рисунок 17. Зависимость экспериментально-
го (ряд 1) и теоретического (ряд 2) коэффици-ен-
ентов проницаемости фильтровальной перегородки kс от эквивалентного диаметра частиц цеолита d
Рисунок 18. Зависимость теоретического коэффициента проницаемости фильтровальной перегородки при очистке соевого масла от экспериментального
С использованием экспериментальных и теоретических данных построен график зависимости теоретического и экспериментального коэффициентов проницаемости фильтровальной перегородки при очистке соевого масла от эквивалентного диаметра частиц цеолита (рисунок 17). На рисунке 18 приведена зависимость от теоретического коэффициента проницаемости фильтровальной перегородки при очистке соевого масла от экспериментального и получено уравнение регрессии:
kс теор=1,0865 kс эксп. (36)
При принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера FR= 11,69 больше табличного Fт= 4,8, уравнение (36) значимо.
Следовательно, теоретическое уравнение для оценки коэффициента проницаемости допустимо использовать в теоретических выводах при разработке математической модели процесса очистки растительных масел в вертикальных конических фильтрующих центрифугах.
В четвертой главе «Обоснование конструктивных и технологических параметров рабочих органов вертикальных фильтрующих конических центрифуг» представлены структурная схема экспериментального исследования рабочего процесса вертикальных фильтрующих конических центрифуг, приведены конструктивные схемы двух типов вертикальных фильтрующих конических центрифуг, рассмотрены оценочные показатели процесса очистки растительных масел, оценка достоверности и значимости результатов экспериментальных исследований.
В результате проводимых научно-исследовательских работ по теоретическому обобщению исследований процесса рафинации растительных масел и совершенствованию технологического оборудования, были разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные вертикальные фильтрующие конические центрифуги ВФКЦ-1, ВФКЦ-2, ВФКЦ-3, принципиально отличающиеся конструктивно-кинематическими параметрами и
защищенные патентами РФ № 2108169, № 2313401 и № 2338598.
Исследования проводились на экспериментальных центрифугах, конструкция которых обеспечивала получение качественных показателей процесса очистки при различных режимах их настройки.
Исследовались две конструкции центрифуг первого типа (ВФКЦ-1, ВФКЦ-2) с выводом очищенного масла из рабочего пространства через перфорированные отверстия в верхней части наружной обечайки ротора и центрифуга второго типа (ВФКЦ-3) с выводом очищенного масла из рабочего пространства через регулируемые сечения отверстий в крышке ротора.
Изменение площади отверстий в крышке ротора центрифуги приводит к изменению производительности, за счет чего изменяются качественные показатели очистки масел (22).
Теоретической основой всех разработанных конструкций центрифуг является процесс разделения дисперсных систем в гравитационном и центробежном полях вертикального конического фильтрующего ротора.
На рисунке 19 приведена структурно-логическая схема экспериментального исследования рабочего процесса вертикальных фильтрующих конических центрифуг с учетом факторов выявленных в процессе теоретического исследования.
. 
