Установки для выведения кормовых фосфолипидов из подсолнечного масла

>  p_м – давление масла перед кавитатором, Па.

   Основной  характеристикой эмульсии является дисперсность смеси. Она выражается диаметром частиц смешиваемых жидкостей.

   Зависимость между числом кавитации и размером частиц можно выразить уравнением:

,                                      (17)

где d₀ – начальный диаметр частиц, м;

       k₁, k₂ – экспериментально определяемые коэффициенты, м.

   Параметры процесса кавитационной гидратации и установки для выведения кормовых фосфолипидов таковы: p_n=2425 Па; γ=9070 H/м³; ζ=0,03; ε₁=1; d₁=0,005 м; d₂=0,0036 м; p_м = 1·10⁶ Па; ρ=925 кг/м³; d₀ = 25·10^-6 м; k₁ = 26·10^-6 м; k₂ = 7·10^-6 м. На основе этих данных построена зависимость размера частиц d_ч от давления масла перед кавитатором p_м (рисунок 3).

Рисунок 3 - Зависимость размера частиц от давления масла 

   С увеличением давления масла до p_м = 1,5 МПа размер частиц d_ч уменьшается (рисунок 3), так как увеличивается число кавитации, далее происходит незначительный рост размеров частиц, из-за того, что происходит слияние и укрупнение кавитационных пузырьков, в результате чего уменьшается сила удара при схлопывании.

   При кавитации рост пузырьков сменяется  их схлопыванием. Весь процесс образования кавитации занимает время около t_ок = 0,5·10^-3 с. Во время схлопывания, при ударе об отражатель, образуется ударная волна, сопровождающаяся резким повышением температуры и давления газов. При этом расстояние от сопла до отражателя l должно обеспечивать образование кавитационных пузырьков и схлопывание в момент удара об отражатель:

,                                                  (18)

где t_ок – время образования кавитационного пузырька, с.

  На  основании вышесказанного можно  построить зависимость требуемого расстояния между соплом и отражателем l от скорости течения жидкости в сопле υ₂ (рисунок 4).

Рисунок 4 – Зависимость требуемого расстояния между соплом и отражателем от скорости течения жидкости в сопле  

   В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены: цель экспериментальных исследований; описание экспериментальной установки и обоснование ее параметров; методика проведения экспериментальных исследований; методика обработки данных, полученных по результатам экспериментальных исследований.

   Исследования  процесса гидратации проводили в лабораторных условиях на экспериментальной установке (рисунок 5).

  Рабочий процесс исследуемой установки для выведения кормовых фосфолипидов (рисунок 6) протекает следующим образом. При помощи пульта управления 11 запускается в работу электродвигатель 5, установленный на раме 4. Неочищенное масло из емкости 1 с гидратирующим раствором из емкости 2 по трубопроводу 3 поступает в шестеренчатый насос 6, где происходит перемешивание, далее по трубопроводу высокого давления 9 в кавитатор 12. Смесь с большой скоростью выходит из сопла и ударяется об отражатель. Масляно-растворная эмульсия из кавитатора попадает в гущеуловитель 13 через воздушную прослойку, в результате чего полученная эмульсия, не подвергается более кавитационному воздействию и образующиеся хлопья фосфолипидов не будут разрушаться. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие, поэтому процесс осаждения интенсифицируется.

  Таким образом, происходит избирательная  обработка смеси масла и гидратирующего раствора в малом объеме в кавитаторе, и отсутствие такой обработки в гущеуловителе.

   

 

Рисунок 5 – Общий вид экспериментальной установки для

выведения фосфолипидов:

1 –  рама; 2 – емкость для гидратирующего  раствора; 3 – трубопровод; 4 – регулировочный вентиль для подачи раствора; 5 – шестеренчатый насос НШ-10; 6 – электродвигатель; 7 – муфта; 8 – вентиль для регулировки давления в системе; 9 – маслопровод высокого давления; 10 – кавитатор; 11 – пульт управления; 12 – манометр; 13 – предохранительный клапан; 14 – измерительный комплект К-50.  

 

Рисунок 6 – Схема экспериментальной установки

  Величину  рабочего давления в системе определяли манометром МП 4 –УУ2 (позиция 8, рисунок 6). Регистрацию мощности, потребляемой электродвигателем, осуществляли измерительным комплектом К - 50 (позиция 10, рисунок 6).

  В гущеуловителе 13 масляно-растворная эмульсия окончательно гидратируется, отстаивается и осадок фосфолипидов удаляется через нижний патрубок гущеуловителя, а очищенное масло сливается через верхний патрубок.

   Основным  исследуемым объектом в процессе эксперимента является кавитатор (рисунок 7), состоящий из  цилиндрического корпуса 1, в котором с одной стороны установлено коническое сопло 3, закрепленное на неподвижном переходнике 2. Против среза сопла установлен отражатель 4 на регулировочной шпильке 5.  

 

Рисунок 7 – Кавитатор 

  На  основе анализа литературных источников и собственных исследованиях, было выделено 8 факторов, оказывающих наибольшее влияние на протекание процесса гидратации подсолнечного масла: температура масла; давление масла; диаметр сопла; расстояние от сопла до отражателя; тип отражателя; количество вводимого гидратирующего раствора; содержание соли в гидратирующем растворе; время отстаивания смеси.

   Для проведения отсеивающего эксперимента воспользовались планами Плакетта-Бермана. После обработки результатов три фактора оказались незначимыми.

   В качестве критериев оптимизации  процесса гидратации были приняты:

   - количество выведенных фосфолипидов М_Ф, г/л;

  - массовая доля влаги и летучих веществ М_В, %;

  - кислотное число подсолнечного масла К, мг КОН/г.

  Для проведения основного эксперимента были приняты следующие факторы с уровнями варьирования (таблица 1). Для проведения опытов данного блока экспериментальных исследований была использована методика планирования эксперимента с применением симметричного композиционного плана типа В₅ (близкого к D -оптимальному плану для пяти факторов), позволяющего получить полиномиальные уравнения регрессии второго порядка для каждого критерия оптимизации. 

Таблица 1 - Факторы и интервалы варьирования основного эксперимента

 

  Опыты проводили с трехкратной повторностью, порядок их проведения определялся  рандомизацией. Статистическая обработка  опытных данных, анализ полученных результатов проводили с использованием прикладных компьютерных программ Statistica, Excel, MathCAD.

  Для проведения экспериментов использовали баковые отстои масла полученного в миницехе, с показателями (по ГОСТ1129-93): кислотное число – 1,54 мг КОН/г, массовая доля влаги и летучих веществ – 0,16 %, цветное число – 25 мг йода, степень прозрачности – 40 фем.

  Для определения массовой доли влаги  и летучих веществ и кислотного числа масла, проводили химический анализ в лаборатории НИИ химизации Алтайского ГАУ.

  Четвертая глава посвящена анализу результатов проведенных экспериментальных исследований.

  В ней изложены результаты исследования наиболее значимых факторов, влияющих на процесс гидратации подсолнечного  масла и получены математические модели, описывающие данный процесс.

   После математической обработки результатов основного эксперимента получили следующие уравнения регрессии в кодированной форме:

   для определения количества выведенных фосфолипидов (г/л):

       (19)

   для определения массовой доли влаги и летучих веществ (%):

  (20)

   для определения кислотного числа подсолнечного масла (мг КОН/г):

      (21)

  Проверка  регрессионных моделей (19), (20), (21) на адекватность осуществлялась по критерию Фишера при 5% - ом уровне значимости. В случае если , то полученная полиномиальная модель уравнения регрессии адекватно описывает изучаемую закономерность.

   Для определения точек экстремумов  функций М_Ф, М_В,, К оптимальные значения факторов определяли посредством анализа двумерных сечений поверхности отклика (рисунки 8-10).

   Из  анализа сечений поверхностей отклика  были выявлены следующие закономерности:

   В исследованной области факторного пространства конструктивные параметры установки значительно влияют на массу выведенных фосфолипидов М_Ф (рисунок 8).

   При увеличении давления р масла необходимо одновременно с этим увеличивать как диаметр сопла d, так и расстояние l от сопла до отражателя. Этообъясняется тем, что повышение давления и увеличение диаметра приводит к повышению скорости истечения смеси из сопла и давлению схлопывания пузырьков, в результате чего происходит увеличение числа кавитации. Это способствует получению более качественной эмульсии.

   Массовая  доля влаги и летучих веществ М_В, (рисунок 9) значительно снижается при увеличении давления масла р и диаметра сопла d. Подобный характер поведения выходного параметра наблюдается и при уменьшении количества вводимого раствора Мр.

   Снижение  кислотного числа К (рисунок 10) происходит с увеличением количества вводимого в масло гидратирующего раствора Мр. Такой характер поведения функции К  сохраняется вне зависимости от значений других факторов.

   При решении многокритериальной задачи был применен метод главного критерия. В качестве последнего был выбран М_Ф - количество выведенных 

     

                               а                                                                б 

   Рисунок 8 – Двумерное сечение поверхности отклика М_Ф:

а) М_Ф = f(Х₁, Х₂) при Х₃ = Х₄ = Х₅ = 0; б) М_Ф = f(Х₁, Х₃) при  Х₂ =0, Х₄ = Х₅ = 1

 

Рисунок 9 – Двумерное сечение поверхностей отклика М_В:

а) М_В = f(Х₁, Х₂) при Х₃ = Х₄ = Х₅ =1; б) М_В = f(Х₃, Х₄) при Х₁ = 0, Х₂ =0,5, Х₅ = 1;

 

Рисунок 10 – Двумерное сечение поверхности  отклика К:

а) М_К = f(Х₁, Х₄) при Х₂ = Х₃ = 1, Х₅ = -1;  б) М_К = f(Х₂, Х₅) при Х₁ = Х₃ = 1, Х₄ =0;