Інтенсифікація процесу екстрагування рослинної сировини із застосуванням вібраційного впливу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ ІМЕНІ МИХАЙЛА ТУГАН-БАРАНОВСЬКОГО

Спеціальність 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

УДК 664.8.061.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСУ ЕКСТРАГУВАННЯ РОСЛИННОЇ СИРОВИНИ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ВІБРАЦІЙНОГО ВПЛИВУ

БОРОВКОВ СЕРГІЙ

ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Донецьк - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному університеті економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Поперечний Анатолій Микитович, Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, професор кафедри обладнання харчових виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Калінін Лев Георгійович,

Одеська національна академія харчових технологій професор кафедри процесів та апаратів кандидат технічних наук, доцент

Єфремов Юрій Іванович,

Харківський державний університет харчування та торгівлі доцент кафедри процесів, апаратів і автоматизації харчових виробництв

Захист відбудеться “12” березня 2010 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.055.02 Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського за адресою: 83055, м. Донецьк, пр. Театральний, 28, аудиторія 3231.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського за адресою: 83017, м. Донецьк, бул. Шевченка, 30.

Автореферат розісланий “11”лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Антропова Л.М.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» знаходить широке практичне розповсюдження в харчових виробництвах, а в ряді з них є одним з основних технологічних процесів. Це добування цукру з буряків, олії з насіння соняшнику, бавовнику та сої, агару з морських водоростей, дубильних та ароматичних речовин з дубу в коньячному виробництві, тощо.

В даний екстрагування здійснюють по технологіям, що потребують громіздкого і енергоємного обладнання, значних виробничих площ та значних затрат праці. Незважаючи на численність запропонованих екстракторів для системи «тверде тіло - рідина» харчова промисловість до останнього часу не має досконалих конструкцій, які в повній мірі задовольняли б потребам виробництва. Тільки для екстрагування рослинних олій в даний час використовують більше 25 екстракторів різноманітних конструкцій, що виготовляються вітчизняною машинобудівною галуззю і зарубіжними фірмами. Оскільки Україна відноситься до країн з розвинутою переробною промисловістю, то для неї розробка нових високо економічних способів і обладнання для виробництва високоякісних харчових продуктів із сировини рослинного походження є актуальною науковою і народногосподарською задачею. Одним із основних шляхів в цьому напрямку - пріоритетний розвиток досліджень, націлених на інтенсифікацію технологічних процесів, створення і модернізацію машин і апаратів. Широкі можливості для інтенсифікації технологічних процесів, і зокрема для екстрагування, відкриває застосування низькочастотних механічних коливань (вібрації). Відомо, що перевагою вібраційних екстракторів є ефективна масопередача, яка забезпечується шляхом збільшення коефіцієнтів масовіддачі, середньої рушійної сили процесу і розвинутої поверхні фазового контакту. Однак необхідно констатувати, що темпи розвитку вібраційної техніки далеко не відповідають її значенню і можливостям. Причиною цього є недостатньо досліджений механізм процесу екстрагування за допомогою вібрацій, не виявлені з достатньою достовірністю фактори, що обумовлюють інтенсифікацію процесу. Проведений аналіз стану питання про вібраційний вплив на процес екстрагування дозволяє зробити висновок про актуальність як самого напрямку, так і завдань даного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота за своєю тематикою відповідає Програмі Кабінету Міністрів України «Україна-2010» (проект 4 - «Технологічне та технічне поновлення виробництва»).

Дисертаційна робота виконувалась відповідно тематичних планів наукових досліджень кафедри обладнання харчових виробництв ДонНУЕТ імені Михайла Туган-Барановского у межах держбюджетних тем Д2002-4 «Інтенсифікація робочих процесів та поліпшення експлуатаційних характеристик обладнання харчових виробництв» №0106U012557 (особисто розроблено: експериментальні установки для дослідження процесу екстрагування); та держбюджетна тема Д2007-5 «Дослідження тепло-, масообмінних процесів переробки харчових рослинних матеріалів» (особисто розроблено: досліджений процес екстрагування з карамельного солоду в умовах виробництва).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є інтенсифікація процесів екстрагування компонентів з рослинної сировини із застосуванням низькочастотних механічних коливань та розробка високоефективних малогабаритних екстракторів безперервної дії для малотоннажних екстракційних виробництв.

Поставлена мета вирішується на основі як експериментальних так і аналітичних досліджень.

Відповідно мети дисертаційної роботи були поставлені наступні задачі:

- проаналізувати стан проблеми інтенсифікації процесу екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» і обґрунтувати застосування вібраційного впливу з метою зниження витрат енергетичних та матеріальних ресурсів;

- теоретично розглянути вплив основних параметрів вібрації та способів її підведення на процес екстрагування;

- проаналізувати результати експериментальних досліджень і встановити залежність кінетики процесу екстрагування від параметрів вібрації;

- за результатами експериментальних і теоретичних досліджень розробити конструкції нових вібраційних апаратів-екстракторів для малотоннажних екстракційних виробництв;

- надати економічну оцінку ефективності запропонованих конструкцій;

- здійснити впровадження результатів досліджень у виробництво.

Об'єкт дослідження: процес екстрагування з рослинної сировини.

Предмет дослідження: механізм масопереносу, способи і апаратура для екстрагування з рослинної сировини.

Методи досліджень: теоретичні та експериментальні дослідження із застосуванням сучасних контрольно-вимірювальних приладів і обладнання; методи моделювання, теорія подібності, лабораторні та виробничі досліди, планування експерименту, статистичні методи обробки результатів експерименту, патентний пошук; аналітичні дослідження базувались на класичних залежностях гармонічних вимушених коливань та гідродинаміки.

Наукова новизна одержаних результатів:

- дістало подальший розвиток знання про інтенсифікацію процесу екстрагування при застосуванні вібраційного впливу, який сприяє зростанню коефіцієнта масопереносу в середньому на 10…15%. Встановлено аналітичні залежності між параметрами віброколивань та інтенсифікацією процесу екстрагування;

- теоретично та експериментально доказана ефективність впливу низькочастотних вертикальних коливань перфорованого робочого органу при проведенні екстрагування в системі «тверде тіло - рідина»; вперше запропоновано гіпотезу про наявність додаткової рушійної сили у процесі за рахунок бародифузії;

- вперше розроблена математична модель переміщення частинок рослинної сировини по вібруючій перфорованій поверхні в екстракторі безперервної дії лінійного типу з урахуванням впливу параметрів вібрації та розпилювання екстрагенту;

- вперше теоретично обґрунтований рух частинок рослинної сировини у вібруючому робочому органі протитечійного екстрактора барабанного типу.

Практичне значення одержаних результатів:

- встановлені раціональні технологічні та конструктивні параметри і режими роботи екстракторів із застосуванням низькочастотних механічних коливань;

- розроблені ескізні проекти трьох нових конструкцій вібраційних екстракторів безперервної дії, в яких створюється протитечійний вібраційний рух екстрагента та твердої сировини, що суттєво інтенсифікує процес екстрагування. Один з цих проектів виконаний з можливістю роботи з легколеткими екстрагентами;

- на основі виробничих випробувань вібраційного устрою показано суттєве покращення технологічних параметрів роботи промислового обладнання;

- результати досліджень впроваджені в практику виробництва ООО «ЛГЗ«Лік», ООО «ХЛГЗ плюс» та ООО «Бета-Агро-інвест».

- результати наукового дослідження та експериментальні лабораторні установки впроваджені у навчальний процес при підготовці фахівців напряму «Обладнання харчових і переробних виробництв» при вивченні дисциплін «Процеси і апарати харчових виробництв» та «Технологічне обладнання харчових виробництв».

На наукові розробки «Екстрактор» та «Вібраційний екстрактор» одержано деклараційні патенти України на корисну модель відповідно №20314 U від 15.01.2007 та №32703 U від 26.05.2008.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці методик, виконанні теоретичних та експериментальних досліджень, проведенні досліджень у промислових умовах, аналізі, узагальненні та математичній обробці отриманих результатів, їх публікації, здійсненні заходів щодо їх впровадження. Основні положення дисертації та висновки сформульовані дисертантом особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення наукової роботи доповідались, обговорювались та були схвалені на конференціях різного рівня, в тому числі: на 7 щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу ДонНУЕТ імені Михайла Туган-Барановського (Донецьк, 2004…2010); на 10 Міжнародних НПК: «Техника и технология пищевых производств» (Могильов, 2004, 2007), IV-й та V-й «Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка» (Святогірськ, 2005, 2007), ХІ-й та XII-й «Удосконалення процесів та обладнання харчових і хімічних виробництв» (Одеса, 2006,2008), II-й міжгалузевій «Харчові добавки. Харчування здорової та хворої людини» (Донецьк, 2007), «Актуальні проблеми і новітні технології харчової та переробної галузі» (Луганськ, 2008), «Молоді вчені у вирішенні проблем аграрної науки і практики» (Львів, 2009), 73-й НПК молодих учених, аспірантів і студентів «Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у XXI столітті» (Київ, 2007),

Публікації. За підсумками результатів досліджень опубліковано 14 наукових праць, у тому числі: 6 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України; 6 тез доповідей на конференціях, отримано 2 патенти на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 178 найменуваннями, у тому числі 3 іноземних джерел та 3 електронних ресурси. Роботу викладено на 161 сторінках з вмістом 46 рисунків, 7 таблиць та 4 додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраного напряму дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про їх практичне впровадження.

У першому розділі «Сучасний стан, шляхи розвитку процесів екстрагування і методи їх інтенсифікації» наведено аналіз елементів теорії процесу екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» та нових уявлень про процес. Узагальнено відомості про сучасні способи екстрагування і проведено аналіз їх особливостей. Запропоновано класифікацію сучасної екстракційної апаратури для екстрагування з рослинної сировини. Наведено особливості конструктивного рішення апаратів для забезпечення процесу екстрагування в різних галузях харчової промисловості та підсумовано відомі шляхи вирішення задач масопереносу. Проаналізовані теоретичні і експериментальні дослідження по застосуванню нових фізичних методів впливу на процес екстрагування. Аналіз основних напрямків розвитку технології екстрагування та її технічного забезпечення дає підставу стверджувати про перспективність застосування низькочастотних механічних коливань при екстрагуванні з рослинної сировини, що забезпечує інтенсифікацію процесу порівняно з традиційними способами та отримання продукції задовільної якості. Відзначена відсутність довідкових даних про масообмінні характеристики об'єктів досліджень, теоретичного та експериментального вивчення процесів екстрагування з рослинної сировини з урахуванням її складної структури. Доведена необхідність подальших теоретичних та експериментальних досліджень за вказаною проблемою з визначенням раціональних параметрів процесу та запропонуванням простої, надійної і працездатної конструкції апарата по безперервному екстрагуванню рослинної сировини.

У другому розділі «Теоретичні передпосилання сприяння інтенсифікуючих впливів на процес екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» розглянута кількісна характеристика інтенсифікації процесу - інтенсивність екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» та вплив окремих параметрів низькочастотних механічних коливань на процес. Приводяться аналітичні дослідження та моделювання екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» при різноманітних інтенсифікуючих впливах; аналітично отримані формули для визначення коефіцієнту масопереносу. Аналітичні та наступні експериментальні дослідження механізму масопереносу розглядались стосовно екстрагування цукрози з цукрового буряку. В обраній моделі, зразок сировини, якому надано форму сфери діаметром d, поміщався в розчинник. При цьому частинка здійснює обертальний чи коливальний рух та захоплює за собою розчинник з нерухомого стану (рис. 1).

На поверхні частинки умовною товщиною показано пограничний шар, який виникає на межі розділу фаз. Середня концентрація цукрози с1 в середині частинки на деякій відстані . Концентрації на межах розділу фаз, та пограничного шару позначені , та с2.

Для випадку коли опором жодної з фаз екстрагування та пограничного шару нехтувати не можна, отримане рівняння для визначення коефіцієнту масопереносу

де Dв,D, - відповідно коефіцієнти дифузії розчинних речовин - внутрішній, через пограничний шар та конвективний. Розглядаючи окремі гідродинамічні випадки, отримано залежності, що дозволяють визначити значення коефіцієнту масопереносу для випадку настоювання в спокої:



при механічному перемішуванні

та при екстрагуванні із застосуванням вертикальної вібрації частинки

Результати експериментальних досліджень наведені в розділі 4, підтвердили адекватність прийнятої моделі масопереносу. У розділі розглянуто також поведінку дисперсної системи «тверде тіло - рідина» під впливом на неї вертикально-спрямованих гармонічних коливань.

Базуючись на теорії гідродинамічного удару і закону про зміну кількості руху дисперсної системи «тверде тіло - рідина» отримано рівняння для визначення зростання градієнта тиску (ударного тиску), що виникає між днищем перфорованої корзини з рослинною сировиною і днищем екстракційної установки

а також його зниження зі створенням вихрових структур при гармонічних коливаннях корзини с рослинною сировиною. В (5) позначено: А - амплітуда коливань, мм; f - частота коливань, Гц; ц - відношення поверхні перфорованого дна корзини до поверхні поперечного перетину апарата, долі од., е - живий перетин апарату в місті розташування перфорованого дна корзини, долі од., Е,К - модулі пружності матеріалу стінок апарату і рідини відповідно, D - діаметр апарату, д - товщина стінок апарату. Аналіз формули (5) показує: 1) ударний тиск не залежить від відстані між вібруючим перфорованим дном корзини і поверхнею днища установки; 2) найбільший вплив на виявляє вібраційна швидкість потоку рідини, що визивається вібруючим дном корзини, яка, в свою чергу, визначається параметрами вібрації і геометрією перфорованого днища корзини.

Таким чином, аналітично доказано, що застосування низькочастотних механічних коливань дозволяє значно інтенсифікувати процес екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» за рахунок зменшення товщини пограничної плівки і урахування бародифузії.

У третьому розділі «Експериментальна частина. Організація, експериментальні установки і методики досліджень» описані експериментальні дослідження, які проводились в лабораторіях ДонНУЕТ, а також в умовах виробництва на Донецькому лікеро-горілчаному заводі ДЛГЗ «Лік» «Олімп». Окремі питання попередньої підготовки та аналізів сировини і екстрактів вирішувались із застосуванням комплексних і експресних методів вимірювань в лабораторіях кафедр технології харчування та хімії.

На основі аналізу різноманітних екстракційних виробництв, в яких застосовується різноманітна рослинна сировина та різноманітні розчинники-екстрагенти, обґрунтовано вибір об'єктів досліджень. Експериментальні дослідження були проведені по декільком загальним напрямкам. Для дослідження процесів екстрагування, що мають місце в цукровій, лікеро-горілчаній, чайній та фармацевтичній промисловостях, в якості сировини та екстрагентів були обрані відповідно: цукровий буряк (екстрагент - вода), карамельний солод (екстрагент - водно-спиртова суміш 50%), відходи чайної промисловості, плоди глоду та м'ята перцева (екстрагент - вода).

Наведені схеми експериментальних установок. Було розроблено і створено чотири експериментальні установки:

Пілотна вібраційна установка ємністю 3 л, для дослідження впливу амплітудно-частотних характеристик на інтенсифікацію процесу включає ексцен-

триковий вібратор 1, який через шток, передає коливання перфорованій корзині 2 з рослинною сировиною, що екстрагується. Насоси 3 та 4 через ємність 5, в якій встановлені тени 6, дозволяють перекачувати екстрагент по циклу в залежності від вимог експерименту. Робоча камера установки виконана зі спеціального органічного скла, що дозволяє спостерігати гідродинамічний стан процесу.

Експериментальна установка, схему якої наведено на рис. 4., була розроблена для перевірки запропонованої гіпотези о визначенні значення коефіцієнту масопереносу для частинки рослинної сировини сферичної форми, що знаходиться в екстрагенті при різних гідродинамічних умовах (настоювання в спокої, обертове перемішування, вібрує в екстрагенті). На рис. 4 позначено 1 - нагрівальний елемент, 2 - прокладка, 3 - стакан, 4 - сировина, 5 - кришка, 6 - вібратор, 7 - шток вібратора, 8 - термопара, 10 - мілівольтметр, 11- ЛАТР.

Багатофункціональна експериментальна установка (рис.5), дозволила провести дослідження різноманітних впливів на процес екстрагування (механічного та циркуляційного перемішування, пульсацій екстрагенту, варіювання гідромодуля, температури тощо).

Наведено описання методик визначення вмісту екстрактивних речовин в екстрагенті та в вихідній сировині, а також проведення експериментів з кінетики досліджуваних процесів. Застосовані методики визначення вмісту екстрактивних речовин в екстрагенті в залежності від особливостей екстрагування: для екстрагування з цукрового буряку, м'яти перцевої та глоду - метод рефрактометрії, для екстрагування з карамельного солоду водно-спиртовими розчинами - метод відгону, та для екстрагування з чайних відходів - метод спектрофотометрії.

Аналіз експериментальних даних з кінетики екстрагування показав, що крива екстрагування з достатнім ступенем точності описується рівнянням виду

яке дістало широке застосування в теорії екстрагування. Коефіцієнти регресії, що визначаються в результаті статистичної обробки, мають фізичну суть: величина Ср визначає рівноважну концентрацію сухих речовин в екстрагенті, показник ступеня k - є коефіцієнтом масопереносу, що визначає інтенсивність процесу, м2/с.109; - тривалість процесу, с. Тому отримані нами рівняння регресії були застосовані для оцінки ефективності процесу масоперенесення. Рівняння (6) не входить в перелік стандартних елементарних апроксимаційних функцій, що містяться в програмі Microsoft Office Ехсе1, тому для визначення коефіцієнтів регресії застосовувався пакет MathCad, в якому була розроблена програма для розрахунку вказаних коефіцієнтів.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень впливу коливань на екстрагування в системі «тверде тіло -- рідина» в апаратах с вібруючими робочими органами» наведено отримані в ході експериментальних досліджень дані по кінетиці процесу. Вибір найбільш суттєвих фізичних, гідродинамічних і технологічних факторів здійснювали, походячи з фізичної сутності мікропроцесів, що відбуваються при екстрагуванні. В результаті експериментальних досліджень визначений характер зміни вмісту цільових компонентів в твердому тілі і екстрагенті від впливу: гідромодуля, розміру подрібненої сировини, температури, механічного перемішування, низькочастотних механічних та високочастотних коливань - вібрації та ультразвуку. Відмітимо, що як прийнято в техніці термін «вібрація» відноситься до коливань твердих тіл, а «пульсація» - для коливань рідин.

Узагальнення середніх даних впливу низькочастотних механічних коливань на вилучення екстрактивних речовин з цукрового буряку, в порівнянні з іншими методами, наведено на рис. 6. Наведені залежності вилучення цукрози від впливу пульсацій (крива 2), циркуляції екстрагенту крізь шар сировини (крива 3) і вібрації (крива 1). Отримані результати порівнювались із контрольним настоюванням (крива 4). Помітно, що вплив низькочастотних коливань значно збільшує інтенсивність вилучення екстрактивних речовин. На перших 10 хв вилучення цільового компоненту в 6 раз більше, чим при настоюванні. На 90-й хвилині процесу співвідношення кінцевих концентрацій, порівняно з настоюванням, складає: для вібрації - 1,95, для пульсації - 1,7, для циркуляції - 1,5. При цьому значення коефіцієнту масоперенесення при настоюванні і циркуляції практично однакове (0,016.10-9 м2/с і 0,018.10-9 м2/с відповідно), в той час як застосування коливань призводить до суттєвого зрос-

тання коефіцієнту масопереносу (0,062.10-9 м2/с при вібрації та 0,043.10-9 м2/с - при пульсації).

Низьке значення коефіцієнту масопереносу при циркуляції можна пояснити недостатнім турбулізуючим впливом струї при застосуванні даного методу і висновком про молекулярний механізм масопереносу екстрактивних речовин з частинки продукту. За рахунок встановлення соленоїдного клапану відбувається пульсаційне вприскування струї екстрагенту, механізм масопереносу переходить до конвективного, про що свідчить достатньо високе, близьке до вібраційного, значення коефіцієнту масопереносу - 0,043.10-9 м2/с.

Для дослідження окремого впливу параметрів вібрації (амплітуди і частоти) на інтенсифікацію процесу були проведені експерименти в яких варіювались значення частоти вібрації при постійній амплітуді і значення амплітуди при постійній частоті.

Аналізуючи залежності збільшення оптичної щільності екстрагенту (вилучення сухих речовин), що побудовані при варіюванні амплітудно-частотних характеристик низькочастотних механічних коливань можна зробити висновок про більший вплив частоти вібрації на інтенсифікацію процесу порівняно з амплітудою. Зростання частоти вібрації з 4,5Гц до 8Гц призводить до прискорення процесу в 2 рази (рис.7). Наприклад, досягнення значення D=1,4 при екстрагуванні з частотою 4,5 Гц відбувається на 60-й хвилині процесу, а с частотою 8Гц - на 30-й.

Збільшення амплітуди в два-три рази не оказує настільки суттєвого впливу на інтенсифікацію процесу, про що свідчить близьке розташування побудованих кривих 3, 4 та 5. Значення кінцевих концентрацій при цьому відрізняються на соті та тисячні долі одиниць оптичної щільності (1,361, 1,363, 1,377 відповідно), коефіцієнт масоперенесення складає відповідно 0,078.10-9, 0,086.10-9 та 0,093.10-9 м2/с. Збільшення частоти коливань до 8 Гц призводить до зростання коефіцієнту масопереносу до 0,138.10-9 м2/с.

Розглянувши окремий вплив частоти коливань, отримали підтвердження даного висновку (рис.8). При постійній амплітуді А=7,5 мм, побудовані залежності для частот коливань 8, 6,3, 4,5 та 3Гц. Коефіцієнт масопереносу при цьому зростає від 0,08.10-9 до 0,137.10-9 м2/с.

Значний інтерес представляє можливість застосування акустичних коливань для прискорення отримання екстрактів з чайної сировини. На рис. 9 наведена порівнювальна залежність досліджених методів інтенсифікації процесу екстрагування

Аналізуючи вплив ультразвукових коливань, можна заключити, що застосування ультразвукового поля дійсно інтенсифікує процес екстрагування. В експериментах досліджувалось випромінювання одним або двома випромінювачами потужністю 150Вт, з частотою 23кГц.

Значення кінцевих концентрацій екстрагента дорівнюють 1,386 и 1,504 одиниць оптичної щільності відповідно. Дані значення перевищують значення, що отримані при екстрагуванні з вібрацією з параметрами А=7,5мм f=3Гц. Можна зробити висновок о доцільності використання ультразвукових коливань більшої потужності або частоти коливань, однак це потребує додаткового, складного і коштовного обладнання, значних виробничих площ і високо кваліфікованого персоналу.

Вплив механічного перемішування призводить до високої турбулізації потоків екстрагенту і веде до суттєвої інтенсифікації процесу. Коефіцієнт масопереносу складає 0,101.10-9 м2/с, що перевищує значення для ультразвукових і вібраційних коливань малої частоти (3…8 Гц). Вплив вібраційних коливань з частотою не менш 20 Гц з нашої точки зору, є найбільш оптимальним режимом для екстрагування. Рекомендується застосування невеликих значень амплітуди, так як це призводить до стабільної, надійної і безпечної роботи установки. В режимі екстрагування з параметрами вібрації А=1…7,5мм и f=20Гц спостерігається найбільше вилучення сухих речовин при високих значеннях коефіцієнту масопереносу (від 0,140.10-9 до 0,159.10-9 м2/с). Однією з основних причин збільшення інтенсивності масообміну, що відбувається під впливом низькочастотних механічних коливань, є зростання коефіцієнта масопередачі за рахунок зростання міжфазної турбулентності при зворотньо-поступальному русі твердого продукту.

Вібраційний вплив на процес екстрагування уявляють собою гамму трьох взаємозалежних показників: частоти коливань f, амплітуди А та прискорення вібрації . Обробка одержаних експериментальних даних по вібраційному впливу на процес масообміну (рис.10) дає можливість стверджувати про лінійну залежність зростання прискорення вібрації на інтенсифікацію процесу екстрагування.

Проаналізувавши результати експериментів по екстрагуванню з різноманітної рослинної сировини різними способами інтенсифікації дійшли висновку, що застосування низькочастотних механічних коливань - вібрації, виявляє найбільш суттєвий вплив на швидкість процесу.

У п'ятому розділі «Розробка і теоретичні дослідження екстракторів з віброкиплячим шаром для системи «тверде тіло - рідина» одержані експериментальні дані по екстрагуванню лягли в основу проектування промислових апаратів - вібраційних екстракторів безперервної дії. При цьому була поставлена задача створення екстракторів, у яких процес екстрагування проходив би більш інтенсивно завдяки збільшенню поверхні контакту між фазами і зменшенню товщини пограничної плівки. Поставлена задача була вирішена створенням двох конструкцій вібраційних екстракторів безперервної дії: лінійного та барабанного типу, а також удосконалення конструкції екстрактора періодичної дії з напірним мірником.

У вібраційному екстракторі лінійного типу (рис. 11) перфорований робочий орган, що працює в режимі руху матеріалу з підкиданням, виконано з окремих ступенів, які мають можливість за допомогою шарнірів змінювати кут нахилу до горизонту від 0 до 300 в напрямку руху матеріалу.

За рахунок впливу вібрації на систему зменшується товщина пограничної плівки, збільшується поверхня контакту фаз та цілком відкидається питання про гідравлічний опір маси часток матеріалу, тобто екстрактор здатен працювати з частками різноманітної зовнішньої структури. Тривалість процесу екстрагування для різних матеріалів може регулюватися зміною швидкості транспортування матеріалу, що екстрагується, за

рахунок зміни амплітуди і частоти коливань робочого органа. Таке регулювання не представляє труднощів.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження процесів, що спільно протікають в екстракторі: вібротранспортування сировини по лоткам і дифузії цільового компонента з рослинної сировини в ядро потоку екстрагента. Метою теоретичних досліджень цих процесів було встановлення кількісного взаємозв'язку між їх основними параметрами і отримання відповідних розрахункових співвідношень, на основі яких можливо проводити інженерні оцінки та здійснювати раціональній вибір режимів процесу. З розгляду схеми вібротранспотування (рис. 12) отримані наступні залежності: вібрація екстрагування кінетичний коливання

- Час польоту частинки:



- Абсолютне переміщення вздовж осі Х:

- Швидкість переміщення частинки вздовж лотка

(9),

- Теоретична тривалість процесу на одній ступені екстрагування

- Масова продуктивність апарата, кг/год,

- Необхідна довжина екстрактора

Прийняті позначки в формулах (7)-(12): G - продуктивність, кг/год; b - ширина лотків, м; - кут нахилу перфорованої поверхні; - кут напряму коливань, h - висота шару матеріалу, м; - початкова швидкість частинки, м/с.

Параметри вібротранспортування розглянуті відповідно гіпотези про рух не сипкої речовини, а окремої матеріальної точки, що має відповідні фізико-механичні характеристики сипкої речовини. Адекватність розглянутої теоретичної моделі перевірена експериментально на спеціальному стенді, що уявляє собою одну ступінь екстрактора.

Як приклад, на рис. 13 наведені дані залежності швидкості транспортування м'яти перцевої від кута нахилу робочого органу до горизонту при параметрах низькочастотних механічних коливань: А=25 мм, f=25 Гц; температура екстрагента підтримувалась 200С.

Вібраційний екстрактор барабанного типу створений як апарат безперервної дії з можливістю застосування легколетких екстрагентів. Поставлену задачу було вирішено за рахунок того, що у вібраційному екстракторі застосований барабан в вигляді горизонтального зрізаного конуса з закріпленим на внутрішній поверхні спіральним перфорованим жолобом, який здійснює кругові коливання, що регулюються, а екстрагент та тверда сировина переміщуються в ньому протитечійно. Принципова схема екстрактора наведена на рис. 14. При використанні екстрагентів, що випаровуються, наприклад, бензину, водно-спиртової суміші, киплячої води тощо, вібраційний екстрактор може бути виконаний герметизованим. При цьому торцеві кришки 3 і 11 з'єднуються з навколишнім середовищем (зовнішніми підводами і відводами) пружними гумовими герметизаторами та шлюзовими затворами. Вібраційний та круговий поступальний рух робочого органу викликає появу сил, які безперервно переміщують сировину визначеним шаром по спіральному перфорованому жолобу 4. При цьому кожна частинка в шарі рухається по складній просторовій траєкторії, що забезпечує інтенсивний контакт її з екстрагентом. Коливання робочого органу приводить до турбулізації пограничних плівок на межі розділу твердої та рідинної фаз, тобто інтенсифікує переніс екстрагованої речовини.

Аналітичними дослідженнями при розгляді сил, що діють на частинку твердої сировини, яка знаходиться в шарі рідини запропоновані залежності для розрахунку:

Часу відриву сировини від днища посудини

.

Сили тертя

.

Висоти підйому частинки відносно днища посудини z:

.

Середньої швидкості частинки

,де t1 и t2 - час підйому й опускання частинки відповідно.

Запропоновано удосконалення конструктивного устрою екстрактора періодичної дії з напірним мірником, що використовується в лікеро-горілчаному виробництві (рис.15). В ньому встановлюється насос з електромагнітним віброприводом, який дозволяє перекачувати екстракт із зваженими частинками рослинної сировини при подачі 0,15-0,2 л/с з напором до 30 м вод.ст. Модернізація дає можливість виключити застосування напірного мірнику і таким чином знизити висоту екстрактора на 1,5…3 м, при цьому досягти інтенсифікації екстрагування за рахунок застосування низькочастотних механічних коливань.

Результати досліджень впроваджено у виробництво ряду підприємств: ООО«ЛГЗ«Лік», м. Донецьк (очікуваний економічний ефект 3,350 тис. грн); ООО«Харківський лікеро-горілчаний завод - плюс», Харківська область, Чугуєвський р-н (очікуваний економічний ефект 37,95 тис. грн.), ООО «Бета-Агро-інвест» Донецька область, Ясиноватський р-н, пгт. Очеретино (очікуваний економічний ефект 30,5 тис. грн.).

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу традиційних способів здійснення процесу екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» та перспективних методів його інтенсифікації встановлено, що застосування низькочастотних механічних коливань дозволяє при незначних матеріальних і енергетичних витратах значно інтенсифікувати процес вилучення цільових компонентів з рослинної сировини.

2. Теоретично обґрунтовано вплив низькочастотних механічних коливань на процес екстрагування із рослинної сировини, яким збільшення інтенсивності вилучення цільових компонентів пояснюється зменшенням опору першого та другого етапів дифузійного шляху, конвективним характером масопереносу в середині частинки матеріалу, що екстрагується, а також впливом на загальний процес бародифузії. Базуючись на теорії гідродинамічного удару і закону про зміну кількості руху дисперсної системи «тверде тіло - рідина» отримано рівняння для зростання градієнта тиску (ударного тиску), що виникає між днищем перфорованої корзини і днищем екстракційної установки , а також його зниження зі створенням вихрових структур при гармонійних коливаннях корзини з рослинною сировиною. Таким чином, аналітично доказано, що застосування низькочастотних механічних коливань дозволяє значно інтенсифікувати процес екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» за рахунок зменшення товщини пограничної плівки і урахування бародифузії.

3. Експериментально досліджено вплив низькочастотних механічних коливань на масообмін при екстрагуванні цільових компонентів із різноманітної рослинної сировини (цукрового буряку, карамельного солоду, м'яти перцевої, глоду, та чайних відходів) при різних технічних способах здійснення коливань. На інтенсивність процесу найбільший вплив має частота коливань, порівняно з прискоренням вібрації та амплітудою. Визначені оптимальні параметри здійснення екстрагування з впливом низькочастотних механічних коливань:

- для цукрового буряку: А=2,5 мм, f=12 Гц;

- для карамельного солоду: А= 7,5 мм, f=4 Гц;

- для чайної сировини: А= 2 мм, f=20 Гц;

- для глоду А=4,5 мм, f=20 Гц.

4. На основі експериментальних досліджень запропоновані три розробки екстракторів із застосуванням вібраційного впливу та виконане аналітичне обґрунтування їх роботи: 1) вібраційний екстрактор лінійного типу (патент №20314U від 15.01.2007); 2) вібраційний екстрактор барабанного типу (патент №32703U від 26.05.2008); 3) вібраційний устрій для екстракційних апаратів періодичної дії, що застосовуються в лікеро-горілчаному виробництві.

5. Доведена адекватність теоретичних та експериментальних досліджень по інтенсифікації процесу екстрагування рослинної сировини із застосуванням вібраційного впливу. Розходження теоретичних і експериментальних даних швидкості вібропереміщення склало 0,004 м/с.

6. Матеріали досліджень впроваджені на ООО«ЛГЗ«Лік», м. Донецьк (очікуваний економічний ефект 3,350 тис. грн); ООО«Харківський лікеро-горілчаний завод - плюс», Харківська область, Чугуєвський р-н (очікуваний економічний ефект 37,95 тис. грн.), ООО «Бета-Агро-інвест» Донецька область, Ясиноватський р-н, пгт. Очеретино (очікуваний економічний ефект 30,5 тис. грн.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Поперечный А.Н. О моделировании процесса экстрагирования в системе «твердое тело - жидкость» при интенсифицирующих воздействиях / А.Н. Поперечный, С.А. Боровков // Наукові праці Одеської національної академії харчових технологій. - Одеса: 2006. - Вип. 28. - Т. 2. - С.199-201.

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в експериментальних дослідженнях, підготовка матеріалів до публікації.

2. Поперечний А.М. До питання інтенсифікації процесу екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Обладнання та технології харчових виробництв: Зб. наук. пр. - Донецьк: ДонДУЕТ ім. М. Туган-Барановського, 2006. - Вип. 16. - С. 103-109.

Особистий внесок здобувача: проведення літературного огляду, участь в плануванні та виконанні експерименту, участь у підготовці об'єктів дослідження, узагальненні результатів, підготовці матеріалів до публікації.

3. Поперечний А.М. Порівнювальна оцінка методів інтенсифікації процесу екстрагування із рослинної сировини / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка; випуск 58 «Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв» - Харків:ХНТУСГ, 2007.-С.255-262

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в аналітичних дослідженнях та проведенні експерименту, обробка результатів експериментальних дослідів, підготовка матеріалів до публікації.

4. Поперечний А.М. Обґрунтування створення вібраційного екстракційного апарату безперервної дії / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Зб. наук. праць ЛНАУ. Серія: технічні науки - Луганськ, 2008. - №87.-С. 332-341.

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в аналітичних дослідженнях, проведення експерименту, обробці результатів експерименту, підготовка матеріалів до публікації.

5. Поперечний А.М. До визначення концентрації сухих речовин за допомогою спектрофотометра / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Материалы международной научной конференции XII ПАМК ОНАПТ. - Одеса, 2008. - С.82-83.

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в аналітичних дослідженнях, проведенні експерименту, обробці результатів експерименту, підготовка матеріалів до публікації.

6. Поперечний А.М. Розробка конструкції та методики розрахунку вібраційного екстрактора / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Вісник ДонНУЕТ. Сер. Техн. науки. - 2009. - №1(41). - С.15-23.

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в аналітичних дослідженнях, проведенні експерименту, обробці результатів експерименту, підготовка матеріалів до публікації.

7. Поперечный А.М. Дослідження вібротранспортування субпродуктів та розроблення вібраційної мийної машини / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Науковий вісник Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З.Гжицького- Львів, 2009. - Т.11, №2. - С.87-93.

Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, підготовка матеріалів до публікації.

Тези і матеріали наукових конференцій:

8. Поперечний А.М. Експериментальна установка для дослідження інтенсифікації процесу екстрагування з рослинної сировини / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Актуальні проблеми харчування: технологія обладнання, організація та економіка: Тези док. IV міжнар. наук.-техн. конф. - Донецьк: ДонДУЕТ, 2005. - С.73-75.

Особистий внесок здобувача. літературний огляд джерел, планування та проведення досліджень, обробка результатів та підготовка матеріалу до публікації.

9. Боровков С.О. Настій м'яти - інтенсифікація його виробництва / С.О. Боровков, А.М. Поперечний // Матеріали II міжгалуз. міжнар. наук.-практ. конф. Харчові добавки. Харчування здорової та хворої людини - Донецьк: ДонНУЕТ, 2007. - С. 255-256.

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів та підготовка матеріалу до публікації.

10. Боровков С.А. Об интенсификации приготовления спиртованных настоев: Техника и технология пищевых производств: тез. докл. VI Междунар. науч.-техн. конф., 22-23 мая 2007г., Могилев / УО «Могилевский государственный университет продовольствия»; редкол.: А.В. Акулич (отв. ред.) [и др.]. - Могилев: УО МГУП, 2007. - С.247-248.

11. Боровков С.О. Вплив низькочастотних механічних коливань на процес екстрагування / С.О. Боровков, Д.В. Чибиньов // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у XXI столітті: Програма і матеріали 73-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів - К.: НУХТ, 2007. - Ч. II. - C.55.

Особистий внесок здобувача: участь у створені експериментальної установки і проведенні експериментів, підготовка матеріалів до публікації.

12. Поперечний А.М. Дослідження масообміну під час екстрагування сахарози з цукрового буряку при вібрації / А.М. Поперечний, С.О. Боровков // Актуальні проблеми харчування: технологія обладнання, організація та економіка: Тези доп. Міжнар. наук.-техн. конф. - Донецьк: ДонНУЕТ, 2007. - С.99-100.

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів та підготовка матеріалу до публікації.

13. Поперечный А.Н. Комплексная переработка плодов кизила / А.Н. Поперечний, Н.М. Варварина, С.А. Боровков, Н.А. Миронова // Матер. V Междунар. науч.-техн. конф. «Техника и технология пищевых производств». - Могилёв: Изд. центр БГУ, 2005. - С. 205-206.

Особистий внесок здобувача: літературний огляд, участь в експериментальних дослідженнях.

Деклараційні патенти:

14. Пат. №20314 U Україна, МПК С13С 1/00. Екстрактор / А.М. Поперечний, С.О. Боровков (Україна). - №u200608428; Заявлено 27.07.06; Опубл. 15.01.2007; Бюл. №1.- 4с.

Особистий внесок здобувача: патентний пошук, проведення експериментальних досліджень, підготовка заявки на видачу патента.

15. Пат. №32703 U Україна, МПК В04С 5/100. Вібраційний екстрактор / А.М. Поперечний, С.О. Боровков, Д.В. Чибиньов (Україна). - №u200800668; Заявлено 21.01.08; Опубл. 26.05.2008; Бюл. №10.- 4с.

Особистий внесок здобувача: патентний пошук, участь в проведенні експерименту, підготовка заявки на видачу патента.

АНОТАЦІЯ

Боровков С.О. Інтенсифікація процесу екстрагування рослинної сировини із застосуванням вібраційного впливу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, Донецьк, 2010.

Дисертацію присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням інтенсифікації процесу екстрагування рослинної сировини із застосуванням вібраційного впливу.

На основі теоретичного і експериментального досліджень процесу екстрагування в системі «тверде тіло - рідина» визначені раціональні параметри вібраційного впливу, що забезпечують інтенсифікацію вилучення з рослинної сировини цільових компонентів; розроблені конструктивні рішення апаратів та їх інженерні методи розрахунку, направлені на рішення конкретної науково-технічної задачі - розробці ефективного технологічного обладнання для малотоннажних виробництв харчової, мікробіологічної і фармацевтичної промисловостей.

Ключові слова: процес екстрагування, система «тверде тіло - рідина», кінетика, низькочастотні механічні коливання, вібрація, інтенсифікація, рослинна сировина.

Боровков С.А. Интенсификация процесса экстрагирования растительного сырья с применением вибрационного воздействия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского, Донецк, 2010.

Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и экспериментальным исследованиям интенсификации процесса экстрагирования растительного сырья с применением вибрационного воздействия.

Проведены аналитические исследования и моделирование экстрагирования в системе «твердое тело - жидкость» на примере экстрагирования сахара из частицы свеклы сферической формы, при интенсифицирующих воздействиях. Аналитически получены формулы для определения коэффициента массопереноса: а) при отсутствии лимитирующих стадий ; б) при настаивании в покое ; в) при механическом перемешивании ; г) при вибрации . Основываясь на теории гидравлического удара и закона об изменении количества движения дисперсной системы "твердое тело - жидкость" получено выражение для повышения градиента давления (ударного давления), возникающего между днищем перфорированной корзины и днищем экстракционной установки , а также его понижения с образованием вихревых структур при гармоническом колебании корзины с растительным сырьем. Таким образом аналитически доказано, что применение низкочастотных колебаний позволяет значительно интенсифицировать процесс экстрагирования в системе "твердое тело - жидкость" за счет уменьшения толщины пограничной пленки и учета бародиффузии.

Получено уравнение движения экстрагируемой частицы в жидкости, совершающей гармонические колебания в виде .

Приведены схемы и описание экспериментальных установок.

Для исследования процессов экстрагирования, протекающих в сахарной, ликероводочной, чайной и фармацевтической промышленностях, в качестве сырья были выбраны соответственно: сахарная свекла (экстрагент - вода), карамельный солод (экстрагент - водно-спиртовая смесь 50%), отходы чайной промышленности, плоды боярышника и мята перечная (экстрагент - вода).

Для анализа кинетики процесса применили уравнение вида , в котором определяемые в результате статистической обработки коэффициенты регрессии имеют следующий физический смысл - величина Ср определяет равновесную концентрацию сухих веществ в экстрагенте (выраженная в %), а показатель степени k является коэффициентом массопереноса, определяющим интенсивность процесса (м2/с.10-9).

Разработаны две новые конструкции вибрационных экстракторов непрерывного действия для систем «растительное сырье - вода» и «растительное сырье - легколетучий растворитель» для малотоннажных производств (патенты на полезную модель Украины №20314 U от 15.01.2007 г. и №32703 U от 26.05.2008 г. соответственно).

Осуществлено внедрение научных разработок в производство

В результате исследования установлена целесообразность применения низкочастотных механических колебаний для интенсификации экстрагирования из растительного сырья, что вызывает ускорение процесса в 1,15…2 раза.

Ключевые слова: процесс экстрагирования, система «твердое тело - жидкость», кинетика, низкочастотные механические колебания, вибрация, интенсификация, растительное сырье.

Borovkov S.A. Intensifying the process of extraction of plant material using vibration impact. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.18.12 - processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical industries. - Donetsk National University of Economics and Trade named after Michael Tugan-Baranovsky, Donetsk, 2010.

The dissertation is devoted to theoretical and experimental study of the process of intensification extraction of plant material using vibration impact.

Based on theoretical and experimental research process extraction system "solid - liquid" were determined rational parameters vibration effect that provides an intensification of extraction target components from plant raw. Were designed constructive solutions of extractor and them engineering methods of calculation, aimed at solving specific scientific and technical tasks - the development of efficient equipment for small-tonnage production of food, microbiological and pharmaceutical industries.

Keywords: extraction process, the system "solid - liquid, kinetics, low-frequency mechanical vibrations, vibration, intensification, plant raw materials.

Підписано до друку 10.02.2010 р. Папір офсетний.

Друк - ризографія. Ум.друк.арк. 0,9. Тираж 110 прим.

Замовлення №53

Донецький національний університет економіки і торгівлі

імені Михайла Туган-Барановського

83050, м.Донецьк-50, вул.Щорса, 31

Редакційно-видавничий відділ

83023, м.Донецьк, вул.Харитонова, 10

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру видавців, виготівників і

розповсюджувачів видавничої продукції ДК № 1106 від 5.11.2002 р.

Размещено на Allbest.ru

...