Механико-технологические основы повышения эффективности процесса центробежной очистки растительных масел в условиях сельскохозяйственных предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

механико-технологические основы повышения эффективности процесса центробежной очистки растительных масел в условиях сельскохозяйственных предприятий

Специальность 05.20.01 ? Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Харченко Галина Михайловна

Барнаул - 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Основной проблемой питания в мире является недостаток белка (дефицит которого для населения Земли составляет около 15 млн.т.). Ценными в биологическом отношении продуктами питания являются растительные масла. Растительное масло ? это не только энергетический источник питания человека, но также поставщик незаменимых жирных кислот, микроэлементов, витаминов.

Анализ существующих технических средств получения и очистки растительных масел показал, что они предназначены для крупных производств, имеют сложную технологию очистки и большое количество оборудования. Для условий сельскохозяйственных предприятий требуется малогабаритное многофункциональное оборудование, обеспечивающее качественную очистку. Применение такого оборудования позволит приблизить производство к местам выращивания технических культур, снизить транспортные затраты и обеспечить повышение рентабельности производства.

В связи со сказанным, приобретает большую актуальность проблема совершенствования оборудования, для очистки растительных масел и разработки малогабаритного оборудования для условий сельскохозяйственных предприятий на основе обобщения имеющихся исследований и продолжения исследовательских и конструкторских работ. Поэтому научная проблема состоит в развитии основ общей теории, обосновании и разработке системных требований к техническим средствам очистки растительных масел для предприятий агропромышленного комплекса.

Приведенные в диссертации материалы являются итогом многолетних исследований автора выполненных в соответствии с тематическими планами научно-исследовательской работы Дальневосточного и Алтайского государственных аграрных университетов.

Выбранное направление исследования соответствует федеральной приоритетной программе развития сельского хозяйства.

Целью работы является повышение эффективности процесса очистки растительных масел путем теоретического и экспериментального обоснования конструктивно-кинематических параметров вертикальных конических фильтрующих центрифуг.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать и обобщить теоретические и экспериментальные исследования процесса разделения суспензий, к которым относятся растительные масла;

- разработать математическую модель процесса центробежного фильтрования растительных масел в конических вертикальных фильтрующих центрифугах с учетом влияния технологических, кинематических и конструктивных параметров центрифуг;

- установить закономерности процесса очистки растительных масел в вертикальных конических фильтрующих центрифугах;

- обосновать расчетные модели и разработать инженерную методику проектирования центрифуг;

- обосновать и предложить новые технические решения фильтрующих центрифуг;

- на основе системного анализа технологических линий очистки растительных масел разработать математическую модель, учитывающую их конструктивные, структурные и технологические особенности;

- провести технико-экономическую оценку эффективности результатов исследования.

Научная гипотеза, заключающаяся в том, что эффективность процесса очистки растительных масел в условиях сельскохозяйственных предприятий можно повысить путем теоретического обоснования использования и разработки конических фильтрующих центрифуг на базе фильтровальной перегородки из цеолита.

Объект исследования ? технологический процесс очистки растительных масел.

Предмет исследования ? закономерности процесса очистки растительных масел при использовании конических фильтрующих центрифуг с учетом их конструктивно-кинематических параметров, свойств растительных масел и параметров фильтровальной перегородки.

Методы исследования. При выполнении работы применялись методы системного анализа, математической статистики, регрессионного анализа, численные методы решения нелинейных уравнений, аналитические и экспериментальные методы исследования, методы графического анализа. При экспериментальных исследованиях применялись методы планирования многофакторного эксперимента, корреляционного анализа. При обработке результатов исследования использовались программы «Statistika-6», «Mat CAD», «Exsel» и разработанная программа «Delta-Ro nev».

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается научной строгостью разработанных теоретических положений; сопоставлением результатов аналитического и численного исследований; экспериментальной проверкой математических моделей и результатов расчетов; практической реализацией разработанных методов и технических средств.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

- разработана новая математическая модель эффективности технологических линий очистки растительных масел, учитывающая влияние структуры, технологических особенностей оборудования и эксплуатационных показателей;

- выполнен теоретический анализ движения растительного масла в пространстве между обечайками ротора центрифуги и получено уравнение производительности центрифуги;

? разработана новая математическая модель процесса центробежного фильтрования в конической фильтрующей центрифуге с учетом влияния свойств растительных масел, параметров фильтровальной перегородки, а также технологических, кинематических и конструктивных параметров центрифуги;

- получены закономерности, характеризующие влияние свойств цеолитовых фильтровальных перегородок, показателей подсолнечного и соевого масел и конструктивно-кинематических параметров вертикальных конических фильтрующих центрифуг на процесс очистки;

- обоснованы оптимальные технологические и конструктивно-кинематические параметры вертикальных конических фильтрующих центрифуг;

- разработаны научные основы проектирования конических фильтрующих центрифуг с учетом полученных экспериментальных и теоретических зависимостей конструктивно-кинематических параметров центрифуг, свойств очищаемого масла и параметров фильтровальных перегородок;

- обоснованы расчетные модели и разработана инженерная методика проектирования вертикальных конических фильтрующих центрифуг;

- разработаны на уровне изобретений новые технические решения, включающие разработку конструкций.

Новизна технических решений защищена тремя патентами на изобретения № 2108169, № 2313401 и № 2338598.

Практическую значимость работы представляют:

- экспериментальные и теоретические зависимости эксплуатационных показателей центрифуг от их конструктивно-кинематических параметров, свойств растительных масел и фильтровальных перегородок;

- научные основы проектирования вертикальных конических фильтрующих центрифуг и технологического процесса на их основе, учитывающие разработанные научно-методические и проектно-технологические рекомендации;

- разработанная новая расчетная программа обоснования рациональных конструктивных параметров вертикальных конических фильтрующих центрифуг;

- результаты исследований позволяют ускорить разработку современного оборудования для очистки растительных масел, удовлетворяющих требованиям сельскохозяйственного производства.

Реализация и внедрение результатов работы. Настоящая диссертация выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и является частью комплексных научно-технических программ развития сельского хозяйства, принятых правительством.

Приведенные в диссертации материалы являются итогом многолетних исследований автора, выполненных в соответствии с государственной научно-технической программой 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства сельского хозяйства», а также в соответствии с координационным планом Министерства сельского хозяйства по проблеме О.СХ.102 и тематическими планами НИР Дальневосточного и Алтайского государственных аграрных университетов.

Результаты научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по теме «Механико-технологические основы повышения эффективности процесса центробежной очистки растительных масел в условиях сельскохозяйственных предприятий» приняты для использования в условиях сельскохозяйственных предприятий Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края.

Разработаны «Рекомендации по проектированию конической фильтрующей центрифуги для рафинации растительных масел» и «Технологический процесс при очистке растительных масел на конической фильтрующей центрифуге», которые приняты проектным подразделением ООО НТЦ «Алтайвибромаш», Алтайский НИИ сельского хозяйства СО РАСХН, ООО НПП «Агротерм».

В ООО НТЦ «Алтайвибромаш» разработан экспериментальный образец конической фильтрующей центрифуги, который прошел производственную проверку. Результаты очистки соевого и подсолнечного масел соответствуют требованиям нормативных документов.

Основные положения и результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции», а также в курсовом и дипломном проектировании в следующих вузах: ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет», «Рязанский государственный агротехнический университете имени П.А. Костычева», «Новосибирский государственный аграрный университет», «Мичуринский государственный аграрный университет», Луганском национальном аграрном университете, Казахском национальном аграрном университете.

На защиту выносятся следующие новые положения, методы и рекомендации:

- результаты системного анализа технологических линий очистки растительных масел;

- математическая модель технологического эффекта технологических линий очистки растительных масел;

- математическая модель процесса центробежной фильтрации растительных масел на конических фильтрующих центрифугах;

- результаты экспериментальных исследований по обоснованию рациональных параметров конических фильтрующих центрифуг;

- механико-технологическое обоснование конструкций вертикальных конических фильтрующих центрифуг, позволяющее осуществлять качественную очистку растительных масел в одном техническом средстве;

- научные основы создания и проектирования вертикальных фильтрующих конических центрифуг, позволяющие обосновать их конструктивные параметры для получения растительных масел соответствующих нормативным документам;

- новые технические решения, на базе которых созданы эффективные образцы лабораторных центрифуг.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях: Дальневосточного государственного аграрного университета (г. Благовещенск 1996-1998 гг., 2002…2006 гг.), Амурского государственного университета (г. Благовещенск 2005 г.); на международных научно-практических конференциях «Современные проблемы механизации производственных процессов в АПК» в Луганском национальном аграрном университете (Украина, г. Луганск 2006 г.), «Исследования. Результаты» в Казахском национальном аграрном университете (Казахстан, г. Алматы 2007…2008 гг.), «Аграрная наука ? сельскому хозяйству» в Алтайском государственном аграрном университете (г. Барнаул 2008 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в журналах «Техника в сельском хозяйстве», «Механизация и электрификация сельского хозяйства», «Ползуновский вестник», «Вестник Алтайского государственного аграрного университета», «Исследования. Результаты» (Казахский национальный аграрный университет), в сборниках научных трудов Дальневосточного государственного аграрного университета, Амурского государственного университета, Всероссийского научно-исследовательского института сои, Луганского национального аграрного университета, Новосибирского государственного аграрного университета, Казахского агротехнического университета имени С. Сейфуллина.

Результаты исследований опубликованы в 45 печатных работах, в том числе 9-ти в трудах по списку ВАК для докторских диссертаций, 2-х монографиях, в 3-х патентах на изобретения, 2-х научно-практических рекомендациях.

2. Основное содержание работы

Во введении изложена актуальность темы исследования, её связь с «Приоритетной национальной программой развития сельского хозяйства», сформулирована научная проблема, изложены цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость.

В первой главе «Современное состояние производства растительных масел » на основе статистических данных показан рост производства растительных масел, рассмотрены способы их производства. Анализируются способы и технические средства очистки.

По разработанной методике проанализированы структурные и конструктивно-технологические схемы технологических линий очистки растительных масел. Установлено, что технологические линии, пригодные по структуре и надежности для применения в условиях сельскохозяйственного производства, имеют малопроизводительную технологию из-за отсутствия эффективных технических средств очистки. Анализ способов и технических средств очистки растительных масел выявил существенные преимущества центрифуг, однако существующие центрифуги разрабатывались для очистки суспензий со свойствами, значительно отличающимися от свойств растительных масел, следовательно, необходимы дальнейшие исследования процесса очистки растительных масел центрифугированием.

Вопросами исследования процесса фильтрования сложных жидких систем занимались ученые Г.И. Бремер, П.А. Ребиндер, Г.А. Кук, В.А. Жужжиков, В.И. Соколов, В.Х. Паронян, А.И. Лукъяненко, Н.Н. Липатов, Д.Е. Шкоропад, В.Г.Щербаков, Е.М. Гольдин и другие.

В работах ученых рассматриваются процессы разделения неоднородных систем осаждением и фильтрованием в гравитационном и центробежном полях. Скорость осаждения в гравитационном поле с учетом концентрации примесей в суспензии

х = [d² (с_s ? с_f )g В Ф(В)]/18м,

где d - эквивалентный диаметр частиц, м; с_s ? плотность дисперсионной среды, кг/м³;

с_f - плотность дисперсной фазы, кг/м³; м - динамическая вязкость, Па·с; В - коэффициент порозности среды.

Функция концентрации суспензии

Ф(В)=10^-1,82(1-В).

Скорость осаждения в центробежном поле

х = (2В²?10^-1,82(1-В))/[f ²м]Дg Fr_ср,

где Fr_ср- критерий Фруда; Д - разность плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы, кг/м³.

Процесс фильтрования растительных масел рассматривается при движении по извилистым каналам фильтрующего материала.

С учетом конструктивных особенностей и процесса фильтрования в вертикальных фильтрующих конических центрифугах теории В.И.Соколова, Г.И. Бремера, Е.М. Гольдина и Н.И. Кумина после соответствующей доработки применимы к анализу движения растительных масел в пространстве между обечайками ротора вертикальной фильтрующей конической центрифуги, к разработке теории и математической модели.

Основное дифференциальное уравнение фильтрования

dV / (S dф ) =( ?P / м )( R_ос + R_фп. )],

где ?P - потеря давления в слое фильтрующего материала, Па; V - количество жидкости, м³;

ф - время фильтрования, с; R_ос - гидравлическое сопротивление осадка, м^-1; R_фп.- гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки, м ^-1; м - динамическая вязкость суспензии, Па·с.

Процесс фильтрования описывается общим законом прохождения жидкости через пористую среду под действием силового поля.

Общий закон прохождения жидкости через пористую среду под действием силового поля

х₁ = (k _с /м)(Р/L), (1)

где k_с - коэффициент проницаемости, м²; Р - давление, Па; L - длина цилиндрической части ротора, м.

Известно уравнение для оценки коэффициента проницаемости

k_с = 0,246 В³/[f ² (1-В)²], (2)

где f - удельная площадь поверхности частиц цеолита, м².

Объединив ряд постоянных входящих в уравнение (1), характеризующих данную суспензию, получим

(k_с Н с_f g)/( м L) = k_с g / н = k. (3)

Коэффициент k используется в качестве характеристики способности суспензии разделяться в фильтрующих роторах центрифуг.

В теории фильтрования рассматривается скорость прохождения жидкости через пористую среду в зависимости от сопротивления среды или обратной величины - коэффициента проницаемости k_с.

Скорость фильтрования в центробежном поле

х = (2В²?10^-1,82(1-В))/[f ²(1-В)м]с_f щ²r_{с р},

Скорость фильтрования с учетом фактора разделения

х = (2В³?10^-1,82(1-В))/[f²(1 - В)²м]g с_f Fr_ср .

При центробежной фильтрации исходят из уравнения ламинарной фильтрации

V = F, (4)

где V ? количество жидкости, проходящей в единицу времени через фильтрующую среду, м³/сек; ? падение давления при прохождении жидкости через фильтрующую среду, Па; F ? полная площадь поперечного сечения фильтрационного потока, включая площадь пор и твердых частиц, м²; h ? толщина фильтрующего слоя, м.

Во второй главе «Механико-технологические методы оценки технологических показателей процесса очистки растительных масел в конической фильтрующей центрифуге» рассматривается процесс разделения «сырого» растительного масла в центробежном поле.

Обобщенная информационная оценка современного состояния исследований в области разделения растительных масел в условиях сельскохозяйственных предприятий, дисперсной средой в которых являются коллоидные нежировые примеси, показала необходимость системного подхода к разработке конической центрифуги с фильтрующим материалом из цеолита, обеспечивающим улавливание коллоидных и мелкодисперсных примесей.

Специфика очистки растительных масел позволяет рассматривать формализованные взаимосвязи процесса, протекающего в рабочем пространстве оборудования, с особенностями свойств неочищенного масла, свойств фильтровальной перегородки, конструктивными параметрами оборудования, а также их влияние на качественные показатели готового продукта.

Рисунок 1. Методологическая база исследований процесса очистки растительных масел в вертикальных фильтрующих центрифугах

Методология формирования показателей качества зависит от специфических особенностей процесса. Разработка эффективных технологических линий очистки растительных масел с качественными показателями работы оборудования, отвечающими требованиям государственных стандартов, включает в себя несколько технологических подходов, а именно разработка технологических линий очистка «сырого» масла и оборудования для очистки с последующим контролем готового продукта.

Методологическая база теоретического обоснования технологического процесса и конструкции оборудования для очистки растительных масел в условиях сельскохозяйственных предприятий является фундаментом многоступенчатой и многозвенной структуры, которая включает:

- исследование технологических линий очистки растительных масел с целью разработки математической модели структуры линий;

- создание фильтрующего оборудования для очистки масел в поле центробежных сил;

- исследование технологического процесса на базе особенностей центрифугирования в рабочем пространстве центрифуги;

- исследование свойств растительных масел, параметров фильтровальных перегородок, конструктивно-кинематических параметров центрифуги и их влияние на процесс очистки;

- исследование качественных показателей очищенных растительных масел;

- оценка процесса фильтрования при анализе дифференциальных уравнений движении масла в пространстве между обечайками ротора центрифуги;

- оценка процесса центробежной очистки растительных масел при движении в пространстве между внутренней и наружной обечайками ротора.

В разрабатываемой вертикальной фильтрующей конической центрифуге при движении масла в пространстве между обечайками ротора, заполненного фильтрующим веществом (цеолитом) происходит её очистка. На рисунке 2 приведена схема движения элементарного объема усеченного конического элемента растительного масла V, высотой z=rCos₀, толщиной l (l - расстояние между обечайками, м), соответствующего дуге длиной rSin₀, и массой m=V=lrSin₀Cos₀r, поднимающегося вверх со скоростью х_пр (м/с) по каналам фильтрующего слоя.

На элементарный объем растительного масла в плоскости осевого сечения ротора действуют следующие силы: объемные - (сила тяжести G=mg и переносная сила инерции Ф_пер с проекцией =m2rSin₀); поверхностные - (нормальные реакции обечаек N₁, N₂, силы давления соседних слоев жидкости P₁, P₂), обобщенная сила сопротивления F= -х, включающая в себя силы вязкого сопротивления и силы сопротивления фильтрующего материала ( - обобщенный коэффициент).

Дифференциальные уравнения движения материальной частицы по конической поверхности ротора фильтрующей центрифуги в проекциях на оси локальной системы координат М_r..

. (5)

Рисунок 2. Схема движения материальной частицы по конической поверхности фильтрующей центрифуги

В соответствии с разработанной теорией процессы, происходящие в пространстве между обечайками ротора происходят при одновременном движении масла вдоль образующей конуса ротора снизу вверх х_пр и в радиальном направлении к центру центрифуги х_с.

Считая, что давление на внешней обечайке ротора совпадает с давлением на внутренней при p = p₀ +сg(z₀ - rCosи₀) + Ѕсr² щ²Sin²и₀ и p₀ =0, массовый выход масла получаем интегрированием по всей области перфорации.

 (6)

Полученное уравнение (6) не учитывает влияние на производительность качественных показателей очищенного масла. В полученной математической модели не прослеживается влияние площади осаждения ротора центрифуги на рабочий процесс. Указанное обстоятельство выявило необходимость дальнейших исследований.

При движении масла вдоль образующей ротора масло продвигается по каналам цеолита, постепенно освобождаясь от частиц примесей под действием центробежного поля. Процесс очистки происходит при движении масла к центру центрифуги в три периода: образование слоя осадка в порах цеолита, уплотнение осадка и уменьшение объема пор цеолита, вытеснение жидкости, удерживаемой капиллярными и молекулярными силами.

Скорость протока масла в пространстве между обечайками ротора снизу вверх определяется делением производительности на площадь потока

х_пр= W/(2 р r_х h¹ е с_f) , (7)

где W ? производительность центрифуги, кг/с; r_х ? переменный радиус ротора центрифуги, м; h¹ - толщина слоя очищенного масла, движущегося по зазору между обечайками, м; е ? коэффициент порозности фильтрующего материала, учитывающий в данном случае снижение площади поперечного сечения потока масла вдоль образующей конуса центрифуги; с_f - плотность дисперсионной среды (масла), кг/м³.

После преобразований получим

х_пр^ср = W/[2р е с_s ?₂ r_min cos и₀], (8)

где ?₂ ? расстояние между обечайками центрифуги в радиальном направлении, м.

С учетом теории фильтрования радиальная объемная производительность в центробежном поле цилиндрической фильтрующей центрифуги

V_c= (с_s? с_f) щ²(R²?r₀²) р•10^-1,82(1-В)• k_c•L (R+r_c )[2 µ(R?r_с)], (9)

где с_s ? плотность суспензии, кг /м³; щ ? частота вращения ротора центрифуги, с^-1; R ? переменный наружный радиус кольцевого слоя осадка, м; r_о? переменный внутренний радиус слоя жидкости в роторе, м; В ? коэффициент порозности; k_c ? коэффициент проницаемости фильтрующего материала, цеолита, м²; м - динамическая вязкость суспензии, Па•с; L? длина образующей конуса, м; r_c ? переменный внутренний радиус кольцевого слоя осадка, м.

Учитывая, что

(R²?r₀²)(R + r_о)/(R ? r_о)] = (R +r₀)² (10)

и площадь фильтрующей поверхности у наружной обечайки ротора вертикальной фильтрующей конической центрифуги F= р L(R_max? R_min), получим переменную радиальную скорость фильтрования в центробежном поле вертикальной фильтрующей конической центрифуги:

х_c= V_c / F =(с_s? с_f) щ²(R +r₀ )² k_c /[2 µ(R_max? R_min)], (11)

где R ? переменный наружный радиус конуса центрифуги; r_о? переменный внутренний радиус конуса, м; r_max? максимальный радиус внутреннего конуса центрифуги; r_min ? минимальный радиус внутреннего конуса. В центрифуге, работающей по схеме, представленной на рисунке 3 выход очищенного масла происходит через перфорацию в верхней части наружной обечайки. При этом r_c= r_о, R ? средний радиус наружного конуса центрифуги, r_о? средний радиус внутреннего конуса центрифуги.

Для средних значений радиусов

(R +r₀)²={[(r _max+ ?₂)( r_min+ ?₂)] ^Ѕ + (r_max r_min)^Ѕ}².

С учетом (9) средняя скорость движения масла к центру центрифуги

х_c^ср= (с_s? с_f) щ² k_c{[( r_max+ ?₂)( r_min+ ?₂)] ^Ѕ + (r_max r_min) ^Ѕ}²/

/[2 µ(R_max? R_min)]. (12)

После преобразований (2) коэффициент проницаемости

k_с = 0,0068 d²о ³/(1+ о), (13)

х_с^ср= 0,0034d² е о ³(с_s? с_f) щ² {[( r_max+ ?₂)( r_min+?₂)] ^Ѕ+(r_max r_min)^Ѕ}² / /[µ(R_max?R_min) (1+ о)].

х_пр^ср / х_с^ср = L / ?₂ = H/(cosи₀ ?₂), (14)

где L ? длина образующей конуса ротора центрифуги, м; Н ? высота конуса ротора центрифуги, м, после соответствующих преобразований, математическая модель процесса очистки растительных масел в центрифуге первого типа

W = 0,0215 щ² (с_s?с_f)( с_f / µ )r_min d²е о ³ {[ ( r_min+ Н tgи₀) r_min] ^Ѕ+

+[( r_min+ Н tgи₀+ ?₂)( r_min+ ?₂)]^Ѕ}²/ [tgи₀( 1+о)], (15)

или W = 0,0215щ²С_м С_ц k_ц1 (16)

где С_м - показатель, характеризующий влияние свойств обрабатываемого масла на производительность конической центрифуги, кг•с/м⁵:

С_м= (с_s?с_f ) с_s / µ= (с_s?с_f )/ н; (17)

н ? кинематическая вязкость суспензии (фильтруемого масла до фильтрования), м²/с;

С_ц - показатель, характеризующий влияние параметров фильтровальной перегородки (цеолита) на производительность конической центрифуги, м²:

С_ц= d² е⁴ /[(1+ е )10 ^{1,82/(1+ е )} ] ; (18)

k_ц1 - показатель, характеризующий влияние конструктивных параметров на производительность конической центрифуги, м³:

k_ц1 = ( r_min / tgи₀) {[( r_min+Н tgи₀) r_min] ^Ѕ+[(r_min+Нtgи₀+ ?₂)( r_min+?₂)]^Ѕ}² . (19)

Рисунок 3. Схема заполнения масла и частиц примесей в пространстве между обечайками

Экспериментальные исследования центрифуги первого типа с углом наклона образующей конуса к вертикальной оси в 35 ⁰ показали, что с целью повышения качества очистки необходимо регулирование производительности центрифуги. Конструктивно это осуществляется путем изменения площади сечения отверстий на выходе масла из центрифуги (рисунок 4).

Течение масла через отверстие небольшой длины равной 0,5 от диаметра отверстия рассматривается как течение при полном сжатии струи.

Рисунок 4. Конструктивная схема ротора экспериментальной центрифуги второго типа (ВФКЦ-3) с регулированием производительности путем изменения площади сечения отверстий на выходе масла из центрифуги. 1 - вал привода; 2 - основание ротора; 3 - диск для крепления наружной обечайки ротора; 4 - перфорированная втулка; 5 ? наружная коническая обечайка; 6 - кольцо крепления наружной обечайки; 7 - болты крепления крышки роторов; 8 - отверстия в крышке ротора; 9 - крышка ротора; 10 - фильтрующий материал (цеолит); 11 - заливной цилиндр; 12 - гайка крепления ротора; 13 - болты крепления обечаек ротора; 14 - диск для крепления внутренней обечайки ротора; 15 - внутренняя обечайка ротора

В этом случае

W=F_отв· µ₁ с_f (2Др/с_f)^Ѕ,

где F_отв - площадь отверстия на выходе из центрифуги, м²; µ₁ - коэффициент расхода; Др - давление жидкости, Па; с_f - плотность очищенного масла, кг/м³.

Давление жидкости в конической центрифуге

Др= с_f щ²[(R_max R_min) - (r_max r_min)] /2 . (20)

Производительность

W = F_отв с_f µ₁ щ [(R_max R_min)-(r_max r_min)]^Ѕ = 0,0215щ² С_м С_ц k_ц1. (21)

Из (20)

Дс = с_s- с_f = 46,52F_отв с_f µ₁ н [(R_max R_min)-(r_max r_min)]^Ѕ / [щ С_ц k_ц1]. (22)

Уравнение (22) является основным уравнением фильтрования в конических фильтрующих центрифугах второго типа (ВФКЦ-3) с отверстиями для выхода очищенного масла из ротора.

Площадь поверхности осаждения ротора центрифуги

F₁ = r_min {[ ( r_min+ Н tgи₀) r_min] ^Ѕ+

+[( r_min+ Н tgи₀+ ?₂)( r_min+ ?₂)]^Ѕ}²/ [ tgи [(R_max R_min)-(r_max r_min)]^Ѕ], (23)

тогда разность плотностей очищенного в центрифуге масла и дисперсионной фазы

Дс = с_s- с_f = 46,52F_отв с_f µ₁ н / [щ С_ц F₁] . (24)

Продолжительность пребывания суспензии в поле центробежных сил

Т=?₂/ х_с^ср =?₂ [µ(r_max?r_min)(1+ о)]/0,0034d² о ³(с_s? с_f)щ²{[( r_max+ ?₂)( r_min+?₂)] ^Ѕ+(r_max r_min)^Ѕ}².

Необходимое время пребывания суспензии в роторе центрифуги для получения качественной очистки можно обеспечить за счет регулирования площади отверстий на выходе масла из центрифуги:

Т₁ =10,2 r_min е (r_max?r_min) ?₂ / щ (F_отв tgи [(R_max R_min)-(r_max r_min)]^Ѕ].

Время пребывания масла в роторе зависит от нормативных требований на качество очистки, то есть Т₁ ?Т .

F₁ ? 28,8F_отв с_f н(1+ о)/ (d² о³ Дс е щ),

тогда разность плотностей очищенного в центрифуге масла и дисперсной фазы

Дс ? 28,8F_отв с_f н (1+ о)/ (d² о ³ е щF₁).

При с_f = 907,9кг/м³, н = 0,52·10^-4 м²с^-1

Дс ? 1,35 F_отв(1+ о)/(d² о ³ е щF₁).

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 r_min на объем рабочего пространства центрифуги k_ц1 (19) при постоянном радиальном расстоянии между внутренней и наружной обечайками ротора ?₂ = 0,1 м.

В результате обработки экспериментальных данных по программе «Statistica-6» получено уравнение регрессии в раскодированном виде:

k_ц1 = 0,33+ 0,14r_min- 0,59tgи - 0,94 H - 0,52 r_min tgи + 1,84 r_min H+

+ 0,000001 tgи H + 4,0 r_min² + 0,36 tg²и + 0,83 H². (25)

При принятом уровне значимости р<0,05, критерий Фишера F_табл= 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: k_ц1= 0,00181 м³ и [(R_max R_min)-(r_max r_min)]Ѕ = 0,0382 м, методом численного моделирования выполнен анализ математической модели (22) по формуле

Дс = (с_s- с_f ) = 82,8 F_отв / (щ С_ц) (26)

получено уравнение регрессии в раскодированном виде

Дс= с_оч.? с_f= 24,4 ? 0,037щ- 1,1F_отв - 5596,4d + 0,0075щF_отв + 15,2щd +

+404,2F_отвd - 0,00017щ² - 0,2F_отв² + 187500d². (27)

Уравнение регрессии адекватно экспериментальным данным, так как расчетный критерий Фишера F=16,85 при доверительной вероятности р<0,05 больше табличного F_табл= 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 F_отв 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 с_f = 944,4 кг/м³, а подсолнечного - с_f = 922,5 кг/м³.

Рисунок 5. Зависимость плотности соевого масла с (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

Комплекс исследований качественных показателей растительных масел включает исследования:

- технологических характеристик растительных масел и цеолитовых фильтровальных перегородок;



Рисунок 6. Зависимость плотности соевого масла с (кг/м³), очищенного при температуре 20⁰С гидростатическим фильтрованием через слой цеолита высотой h=1,4м и эквивалентном диаметре частиц цеолита 0,002м от температуры

Рисунок 7. Методологический комплекс исследований качественных показателей растительных масел

- 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.

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 20^оС 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 с (кг/см³), полученного:

а) при эквивалентном диаметре частиц цеолита d = 0,01 м (рисунок 5)

с= 968,14 t ^-0,0121 , (28)

б) при эквивалентном диаметре частиц цеолита d = 0,002 м (рисунок 6)

с = 1015,6 t ^-0,03, (29)

где с - 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 F_R= 5,44 больше табличного F_т= 4,8 уравнение (28) значимо.

Уравнение (29) значимо, так как при принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера F_R= 249,5 больше табличного F_т= 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 (20^оС) до 924,5 кг/м³ (50^оС), а при d = 0,002 м ? с 928,1 кг/м³ (20^оС) до 902,8 кг/м³ (50^оС).

При исследовании кинематической вязкости, в результате обработки экспериментальных данных, получены эмпирические уравнения:

а) при эквивалентном диаметре частиц фильтрующего элемента (цеолита) d = 0,01 м

н = (-0,0084t + 0,6872)10^-4, (30)

где н - вязкость соевого масла, м²/с;

б) при эквивалентном диаметре частиц фильтрующего элемента (цеолита) d = 0,002 м

н = (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 F_R= 36,8 больше табличного F_т= 4,8 уравнение (30) значимо.

Уравнение (31) значимо, так как при принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера F_R= 12,66 больше табличного F_т= 4,8.

При эквивалентном диаметре частиц цеолита d = 0,01м кинематическая вязкость масла н уменьшается при повышении температуры с 0,527•10^-4 м²/с (20^оС) до 0,274•10^-4 м²/с (50^оС) (рисунок 8), а при d = 0,002 м ? с 0,524•10^-4 м²/с (20^оС) до 0,249•10^-4 м²/с (50^оС) (рисунок 9).

Рисунок 8. Зависимость от температуры t (°C) кинематической вязкости соевого масла н (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 н (м²/с), очищенного при температуре 20⁰С и полученного гидростатической фильтрацией через слой цеолита h = 1,4 м при d = 0,002 м

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 щ = 200 с^-1 на лабораторной конической фильтрующей центрифуге ВФКЦ-3 с параметрами: минимальный радиус внутреннего вертикального ротора r_min = 0,04 м, высота ротора H = 0,135 м, радиальное расстояние между внутренней и внешней обечайками ротора ?₂ = 0,028 м, угол наклона образующей конуса вертикальной оси равен 35^o, площадь сечения отверстий на выходе очищенного масла F_отв = 3,53•10^-6 м² и эквивалентный диаметр частиц фильтрующего материала (цеолита) d = 0,002м.

Получены эмпирические уравнения, характеризующие влияние температуры на плотность «сырого» с_s (кг/см³) (ряд 1) и очищенного масла с_f (кг/см³) (ряд 2):

с_s=? 0,7038 t + 936,19, (32)

с_f = - 0,6975 t + 932,11. (33)

Рисунок 10. Зависимость плотностей «сырого» подсолнечного масла с_s (кг/м³) (ряд 1) и очищенного с_f (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 Дс (кг/м³), полученного при частоте вращения ротора щ=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 F_R= 160,8 больше табличного F_т= 4,8, следовательно, уравнение (32) значимо.

Уравнение (33) значимо, так как при принятом уровне значимости p<0,05 расчетный критерий Фишера F_R= 121,5 больше табличного F_т= 4,8.

Из анализа экспериментальных данных (рисунок 10) следует, что при температуре 20^оС плотность «сырого» масла составляла 922,5 кг/м³, очищенного ? 918 кг/м³, а при температуре 35^оС 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 Дс (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 щ = 200 с^-1.

По расчетным данным построен график (рисунок 11). В результате обработки расчетных данных по программе «Excel» получено эмпирическое уравнение

W = 0,121 Д с + 0, 0019, (34)

где W - производительность центрифуги, кг/с; Д с - 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 F_R= 13,8 больше табличного F_т= 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 щ = 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 F_отв=1,77·10^-6 м² при частоте вращения ротора центрифуги щ=150 с^-1. В этом случае плотность увеличивается с увеличением площади отверстий для выхода очищенного масла с 898,1 кг/м³ при F_отв=1,77·10^-6 м² до 911,6 кг/м³ при F_отв=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, щ=50 с^-1; ряд 2 - d = 0,004 м, щ=150 с^-1; ряд 3 - d = 0,004 м, щ=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.

Экспериментальные данные использованы при построении графиков (рисунок 13 и рисунок 14) зависимости коэффициентов пористости о и порозности е от диаметра частиц фильтрующего материала, используемого для очистки масел (цеолита).

В результате обработки расчетных данных получены следующие уравнения:

- зависимость коэффициента порозности е от эквивалентного диаметра частиц цеолита, пропитанного маслом е = 8 d+ 0,4047;

Рисунок 13. Зависимость коэффициента пористости фильтровальной перегородки о от диаметра частиц цеолита d, м: ряд 1 ? цеолит, пропитанный соевым маслом, ряд 2 ? цеолит сухой

Рисунок 14. Зависимость коэффициента порозности фильтровальной перегородки е от диаметра частиц цеолита d, м: ряд 1 ? цеолит, пропитанный маслом, ряд 2 ? цеолит сухой

- зависимость коэффициента пористости о от эквивалентного диаметра частиц цеолита, пропитанного маслом о = 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 k_с.

По расчетным значениям получены графики (рисунки 15 и 16) теоретической зависимости коэффициента проницаемости (k_с) для фильтровальных перегородок из сухого цеолита и пропитанных соевым маслом.

Рисунок 15. Зависимость коэффициента проницаемости k_с (м²) сухой цеолитовой фильтровальной перегородки от эквивалентного диаметра частиц цеолита d (м)

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.



Рисунок 16. Зависимость коэффициента проницаемости k_с (м²) цеолитовой фильтровальной перегородки пропитанной соевым маслом от эквивалентного диаметра частиц цеолита d (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

k_с = VнL/FфHg, (35)

где V - объем соевого масла, прошедшего через слой цеолита, м³; н - кинематическая вязкость соевого масла, м²/с; L - длина слоя цеолита, м; F - площадь поверхности осаждения, м²; ф - время прохождения масла через цеолит, с; H - гидростатический напор, м.

Рисунок 17. Зависимость экспериментального (ряд 1) и теоретического (ряд 2) коэффици-енентов проницаемости фильтровальной перегородки k_с 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:

...