Установки для выведения кормовых фосфолипидов из подсолнечного масла

  - Очистка подсолнечного масла, получаемого в миницехах методом гидратации, позволяет получать масло высшего сорта и отходы – фосфолипиды. Фосфолипиды растительных масел являются важным кормовым компонентом, повышающим продуктивность животных.

  - Гидратация подсолнечного масла – процесс энергоемкий, многостадийный, сложный и неприемлем для цехов малой мощности. Поэтому проблема разработки способа гидратации и технического средства для его осуществления в малых цехах является актуальной.

   - Полного выведения фосфолипидов из подсолнечного масла можно добиться направленным регулированием поверхностных и объемных свойств фосфолипидов путем комплексного механико-химического воздействия на устойчивость системы «подсолнечное масло - фосфолипиды - гидратирующий раствор».

Для достижения цели работы сформулированы следующие задачи:

1. Разработать и обосновать способ и устройство кавитационной обработки подсолнечного масла с выведением кормовых фосфолипидов, приемлемые для малых производств.

2. На основе анализа факторов, характеризующих процесс гидратации, получить математические модели влияния режимов кавитации на выходные параметры этого процесса.

3. Обосновать конструктивные параметры рабочих органов кавитатора и технологические режимы процесса гидратации.

4. Провести испытания установки в хозяйственных условиях и дать технико-экономическую оценку ее применения.

  Во  второй главе «Математическое описание гидромеханических процессов, сопутствующих кавитационной гидратации подсолнечного масла» рассмотрены и проанализированы закономерности смешивания не растворяющихся друг в друге жидкостей, обоснованы конструктивно-кинематические параметры кавитатора установки для гидратации подсолнечного масла, при которых обеспечивается минимальный размер частиц эмульсии.

  Для качественного проведения гидратации масло и гидратирующий раствор должны быть тщательно перемешаны. Однако для несмешивающихся жидкостей, каковыми являются масло и вода (гидратирующий раствор), простое механическое перемешивание не дает должного эффекта. Поэтому после смешивания и получения механической смеси ее сразу же необходимо превращать в эмульсию.

   Для получения механической смеси указанных  жидкостей можно использовать специальные смесители, однако это бы существенно усложнило технологию выделения кормовых фосфолипидов. Мы выдвинули гипотезу, что качественного перемешивания масла и воды можно добиться с помощью оборудования, применяемого для перекачки масла. Такое оборудование содержит шестеренчатый насос, трубопроводы, запорную арматуру.

  В настоящей работе детерминированное  рассмотрение процесса смешивания основано на использовании интегральных уравнений, которые все шире используются в различных отраслях науки.

  В данном случае возможность использования  таких уравнений связано с  известным рассмотрением процесса смешивания как совокупности двух противоположных явлений - смесеобразования и сегрегации (обратного разделения смеси на составляющие компоненты).

  Исходными пунктами предлагаемой теории являются следующие гипотезы.

  1. Для идеальных условий смешивания, когда отсутствует сегрегация  исходных компонентов (например, в невесомости), предлагается зависимость:

                                                          (1)

где А – работа, потребная для смешивания 1кг смеси до однородности Q, Дж / кг;

      W – модуль смешивания, показывающий какая работа совершается при увеличении однородности 1 кг смеси на 1 %, Дж / (кг %).

   2. В обычных условиях смешивания, когда проявляется сегрегация, смеси, текущие значение Q (t) зависит не только от текущего значения A(t), но и от «истории» изменения величины А. Математически это означает, что соотношение между функциями Q(t) и A(t) содержит не только сами функции, но и их производные.

  Иными словами, зависимость (1) для данного случая не является однозначной, в неё вклинивается фактор времени, причём можно записать:

Q(t) = A(t)/ W- ,                                           (2)

где -уменьшение однородности (связанное с сегрегацией), зависящее от промежутка времени t - t, отделяющего момент t наблюдения однородности смеси от момента t  начала ее смешивания и от  A(t) (где -промежуток времени, за который совершена работа A(t)).

  3. Полученные в разное время  уравнения  однородности смеси складываются.

  В соответствии с этим процесс смешивания можно представить в виде интегрального уравнения:

                           (3)

где функция y(t-t) является резольвентой интегрального уравнения.

  Экспериментальные данные по гравитационному разделению (осаждению) различных многофазных сред показывают, что в качестве резольвенты может быть принята простая экспоненциальная зависимость вида:

                                    (4)

где T- характерное время релаксации, в течении которого релаксирующая часть однородности смеси уменьшается в l = 2,71 раза, мин.

   Уравнение (3) можно использовать для анализа различных режимов смешивания, отвечающих различным законам ввода энергии в смешиваемый материал. Ограничимся важнейшим для практики случаем линейного закона ввода энергии:

A=Nt,                                                     (5)

 где  N=const - мощность, поглощенная материалом в процессе его смешивания.

  Закону (5) приближенно отвечает смешивания материала в непрерывном режиме работы смешивающих рабочих органов и с постоянной скоростью.

   Для указанного режима уравнение (2), с учетом резольвенты (4), запишем в виде:

.                         (6)

   Вычислив  интеграл, получим:

.                       (7)

   В пространственном движении вязкой изотропной системы, как это имеет место при смешивании, применяется обобщенный закон Ньютона, устанавливающий линейную связь между тензором напряжения Р и тензором скоростей деформации :

,                                              (8)

где μ - динамический коэффициент вязкости.

   Выражение для механической энергии, диссипированной  в единице объема жидкости и в единицу времени, можно записать в виде:

.                                             (9)

   Квадрат величины тензора  равен сумме квадратов его компонентов:

, (10)

где u, υ, ω - проекции вектора скорости на оси неподвижной декартовой прямоугольной системы координат x, y, z.

Окончательное выражение для диссипированной в единице объема жидкости в единицу времени энергии будет иметь вид:

(11)

   Таким образом, мощность диссипации зависит  как от свойств смешиваемой среды, так и от типа смешивающих рабочих органов, задающих определённые деформации среды .

   Полученные зависимости (7) и (11) позволяют рассчитать все необходимые параметры процесса смешивания (Θ, t*,N). Требуемые для расчета экспериментальные величины Т и W имеют четкий физический смысл и легко определяются из опытов.

   Для определения  однородности смеси  двух несмешиваемых жидкостей при воздействии турбулентного потока в трубопроводах и шестеренчатом насосе получено выражение:

,        (12)

где d₁ - диаметр трубопровода, м;

       υ₁ - скорость течения смеси жидкости, м/с;

       v - кинематическая вязкость, м²/с.

  Решая уравнение (12) численным методом и задавая исходные данные: T=0,5 c; t =1 c; W=2,1 Дж / (кг %); d₁=0,005 м; υ₁=9,4 м/с; v=60,6·10^-6 м²/с, построили зависимость однородности смеси Q от скорости потока υ₁ (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость однородности смеси при воздействии турбулентности от скорости потока 

  График  на рисунке 1 показывает, какой максимальной однородности смешиваемых жидкостей можно добиться при их течении со скоростью υ₁. Как видно из графика, максимальная однородность смеси жидкостей достигается при скорости потока около 9,4 м/с.

  Качественное  образование эмульсии из предварительно смешанных жидкостей возможно под действием кавитации. Для характеристики процесса кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации и равный:

                                                 (13)

где  p₃ – абсолютное давление, Па;

       p_n – давление насыщенных паров, Па;

       ρ – плотность, кг/м³;

       υ₂ – скорость потока из сопла, м/с.

  Физический  смысл числа кавитации выясняется непосредственно из рассмотрения процесса образования кавитационной каверны и ее дальнейшего движения из области низкого давления в область высокого давления. С этой точки зрения число кавитации представляет собой отношение давления, под действием которого происходит схлопывание каверны, к давлению, под действием которого каверна возникает и растет.

  Используемый  нами кавитатор, в котором осуществляется гидратация подсолнечного масла, представляет собой устройство, состоящее из сопла 1 и отражателя 2 (рисунок 2).

   

   Рисунок 2 - Схема получения эмульсии в кавитаторе предлагаемой установки для гидратации подсолнечного масла

   Для определения скорости потока при  истечении жидкости через сопло  запишем уравнение Бернулли и  уравнение расхода для сечений 1-1 и 2-2 (рисунок 3):

,                              (14)

где z₁,  z₂ – геометрический напор в сечении 1-1 и 2-2, м;

      p₁, p₂ – абсолютное давление в сечении 1-1 и 2-2, Па;

      γ – объёмный (удельный) вес, H/м³;

      υ₁, υ₂ – скорость течения жидкости в сечении 1-1 и 2-2, м/с;

      Σh – суммарные потери напора на участке между рассматриваемыми сечениями, м.

       ,                                                 (15)

где S₁, S₂ – площадь поперечного сечения трубопровода 1-1 и 2-2, м²;

       ε₁ - коэффициент сжатия.

   В результате математического преобразования на основе гидравлических формул уравнение (13) примет вид:

                                      (16)

где ζ – коэффициент сопротивления;

      d₁ – диаметр трубопровода, м;

      d₂ – диаметр сопла, м.