Інтенсифікація процесів очищення дифузійного соку цукрового виробництва із застосуванням кавітації

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 664. 1. 037: 528. 532

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Інтенсифікація процесів очищення дифузійного соку цукрового виробництва із застосуванням кавітації

05. 18. 12 - процеси і апарати харчових виробництв

МАТИЯЩУК АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

КИЇВ -2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент, Немирович Петро Михайлович, Український державний університет харчових технологій, доцент кафедри процесів і апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шурчкова Юлія Олександрівна, Інститут теоретичної теплофізики Національної академії наук України, головний науковий співробітник доктор технічних наук, старший науковий співробітник Циганков Сергій Петрович, Інститут харчової хімії і технології Національної академії наук України та Міністерства агропромислової політики України, заступник директора по науці і новій техніці.

Провідна установа

Український науково-дослідний інститут цукрової промисловості, Міністерства аграрної політики України, м. Київ

Захист відбудеться “ 20 ” вересня 2000 р. о 14: 00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 058. 02 Українського державного університету харчових технологій за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 68, корпус А, ауд. 311.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “18”вересня 2000 р.

очищення дифузійний сік кавітаційний ефект

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією із найважливіших стадій цукробурякового виробництва, яка значною мірою визначає ефективність використання сировини, паливно-енергетичних і матеріальних ресурсів, а також кінцеві результати роботи заводу, є очищення дифузійного соку із застосуванням вапна та сатураційного газу. Тому проблема розроблення нових та подальше удосконалення існуючих способів та апаратів для очищення дифузійного соку є актуальною і має важливе народногосподарське значення.

Використання гідродинамічних (ГД) кавітаційних пристроїв та вдування водяної пари в потік дифузійного соку є ефективними способами покращання якісних показників соків, збільшення виходу цукру та зменшення витрат вапнякового каменю на його виробництво.

Проте способи використання кавітаційних ефектів, механізми та наслідки їх впливу на середовища, що обробляються, на сьогодні не можна визнати достатньою мірою вивченими і досконалими. Подальшому вивченню цих питань присвячується дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Тематика досліджень входила в плани госпрозрахункової роботи УДУХТ 1998-1999рр., “Розробка ефективного способу та пристрою для ведення процесу попередньої дефекації” (реєстраційний номер 710/98) та науково-дослідної роботи “Створення теоретичного, розрахункового і методичного забезпечення розробки та впровадження в харчову промисловість високоефективних тепломасообмінних апаратів з безпосереднім контактом фаз” (наказ Міносвіти №37 від 19 березня 1998 р.)

Мета роботи полягає у розробленні способів інтенсифікації процесів очищення дифузійного соку із застосуванням кавітаційних ефектів та їх апаратурного оформлення, теоретичному і експериментальному дослідженні фізичної суті і механізму процесів, що протікають під час кавітаційного оброблення дифузійного соку, у впровадженні кавітаційних пристроїв у цукрову промисловість.

За метою дисертаційна робота спрямована на вирішення таких задач:

теоретично дослідити розподіл профілю швидкостей рідини і парогазової суміші в межовому шарі каверни під час ГД кавітації;

вивчити процес створення поля кавітаційних бульбашок під час ГД кавітації на основі лабораторних досліджень та математичного моделювання;

розробити математичну модель динаміки парової бульбашки в потоці недогрітої рідини та вивчити процес її колапсу за пароконденсаційної (ПК) кавітації, яка відбувається під час вдування водяної пари в потік рідини;

дослідити фізичну суть та механізм процесів, що протікають за кавітаційного оброблення дифузійного соку;

порівняти інтенсифікувальний вплив ефектів ГД та ПК кавітації на процеси очищення дифузійного соку;

дослідити вплив одночасного кавітаційного та хімічного оброблення дифузійного соку на подальші процеси його очищення;

вивчити можливість застосування ефектів ПК кавітації для підвищення активності водно-вапняної суспензії як основного хімічного реагенту під час очищення дифузійного соку;

використати отримані результати для розроблення та впровадження у виробництво ПК кавітаційних пристроїв для очищення дифузійного соку;

розробити конструкцію відстійника для розділення суспензії соку попередньої дефекації та соку першої сатурації.

Об'єктом дослідження є кавітація та вплив її ефектів на процеси очищення дифузійного соку і активації водно-вапняної суспензії, які були предметом дослідження.

Методи дослідження. У процесі виконання досліджень щодо впливу кавітаційних ефектів на оброблюване середовище використовували математичне моделювання, фото- та мікрофотозйомку і типові методики визначення якісних показників соків цукрового виробництва.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі проведених досліджень сформульовані такі наукові результати, які виносяться автором на захист:

вперше на підставі математичної моделі профілю швидкостей рідини і парогазової суміші в межовому шарі каверни розраховано ці швидкості, що дає можливість визначити коефіцієнт нерівномірності профілю швидкостей рідини і парогазової суміші в межовому шарі каверни; та дотичні напруження на межі з каверною під час її обтікання рідиною;

запропоновано математичну модель створення поля кавітаційних бульбашок під час дробіння межового шару парогазової суміші каверни, в основу якої закладено гіпотезу, згідно з якою енергія хвиль, що переноситься вздовж поверхні каверни, перетворюється в роботу створення кавітаційних бульбашок, а їх джерелом є шар парогазової суміші, який утворюється на межі з каверною;

запропоновано математичну модель динаміки парової бульбашки в потоці недогрітої рідини, яка дає можливість встановити закономірності кінетики та динаміки процесу її колапсу;

виявлено, що під дією ефектів ГД кавітації відбуваються фізико-хімічні перетворення речовин колоїдної дисперсності (РКД) дифузійного соку, та запропоновано схему моделі взаємодії кавітаційних бульбашок і частинок РКД, яка може використовуватись для пояснення механізму їх коагуляції;

вперше встановлено аналогічність інтенсифікувальної дії ефектів ГД та ПК кавітації на оброблюване середовище, зокрема на дифузійний сік цукробурякового виробництва та водно-вапняну суспензію;

в результаті досліджень одночасного ПК кавітаційного та хімічного оброблення дифузійного соку з використанням згущеної суспензії соку другої сатурації як хімічного реагенту, встановлено покращання технологічних показників соків на стадії очищення та збільшення виходу цукру;

під час вивчення дії ефектів ПК кавітації на дисперсні частинки гідроксиду кальцію встановлено підвищення реакційної здатності водно-вапняної суспензії, що дає можливість зменшити витрати вапнякового каменю на виробництво цукру.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані за такими напрямами:

встановлено доцільність та ефективність використання ГД кавітаційних пристроїв для оброблення дифузійного соку на тих цукрових заводах, де є примусова подача його на попередню дефекацію. Це дасть змогу покращити якісні показники очищених соків і збільшити вихід цукру на 0, 1-0, 15%;

розроблено спосіб очищення дифузійного соку з його одночасним ПК кавітаційним і хімічним обробленням з використанням згущеної суспензії соку другої сатурації як хімічного реагенту (патент України № 18177А від 01. 07. 97р.). Спосіб впроваджено на Лохвицькому цукровому заводі та Слуцькому цукрово-рафінадному заводі (Республіка Бєларусь) і отримано економічний ефект відповідно 98680 грн. і 594470 рос. руб. (в цінах відповідно за станом на 1997 і 1998р.) ;

розроблено спосіб очищення дифузійного соку з використанням активованої водно-вапняної суспензії (патент України №21585А від 06. 01. 98р.) шляхом її ПК кавітаційного оброблення, що дає можливість зменшити витрати вапнякового каменю на виробництво цукру;

розроблено і впроваджено ПК кавітаційний пристрій для одночасного кавітаційного і хімічного оброблення дифузійного соку, на який отримано рішення Держпатенту України про видачу патенту на винахід (заявка №98115928 від 09. 11. 98 р.) ;

запропоновано конструкцію відстійника для розділення полідисперсних систем (патент України №22752А від 21. 04. 98р.).

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів полягає у розробленні методик досліджень в лабораторних і промислових умовах, обробленні і узагальненні отриманих результатів, безпосередній участі в організації і проведенні досліджень, в публікації результатів. Автор брав участь у промислових випробовуваннях способу очищення дифузійного соку на Лохвицькому цукровому заводі та Слуцькому цукрово-рафінадному заводі. Узагальнення та аналіз результатів теоретичних і експериментальних досліджень виконані разом з науковим керівником доц. Немировичем П. М. Частину експериментальних досліджень виконано разом з Жеплінською М. М та Пушанко Н. М. Частину робіт з математичного моделювання виконано разом з проф. Федоткіним І. М.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи апробовано на ІХ міжнародній конференції «Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв» (Одеса, 1996р.), міжнародній науково-технічній конференції «Розробка та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість» (Київ, 1997р.), Х міжнародній конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (Львів, 1999р.), 6-й міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення та впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій обладнання в галузях харчової і переробної промисловості” (Київ, 1999р).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 15 праць, в тому числі 5 у наукових журналах, 2 у збірниках наукових праць, 5 у тезах доповідей наукових конференцій, одержано 3 патенти України на винаходи та одне рішення Держпатенту України про видачу патенту на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на ___сторінках, вміщує 7 (9) таблиць, 27 (30) рисунків і 8 (10) додатків. Список використаних джерел містить 173 вітчизняних і зарубіжних найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність роботи і визначено мету та основні задачі досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено характеристику дифузійного соку та основних процесів його очищення. Підкреслено важливість процесу коагуляції та хімічних реакцій, які проходять на стадії попередньої дефекації дифузійного соку, та їх вплив на загальний ефект очищення соку. Звернено увагу на важливість отримання на цій стадії осаду з такими седиментаційно-фільтраційними властивостями, які б дали змогу розділити суспензію соку попередньої дефекації відстоюванням із наступним фільтруванням.

Наведено аналіз літературних джерел про застосування кавітації для інтенсифікації процесів очищення дифузійного соку (роботи Немчина О. Ф., Федоткіна І. М., Анікеєва Ю. В. та ін.), зазначено отримання при цьому значних технологічних ефектів. Відмічено відсутність даних про дослідження впливу кавітаційних ефектів на зміну фізико-хімічних властивостей дифузійного соку під час його оброблення. Відзначено, що ГД кавітація в силу різних причин не знайшла широкого застосування в цукровій промисловості. Але аналіз робіт в інших галузях харчової, переробної і фармацевтичної промисловості свідчить про перспективність застосування кавітаційних ефектів для інтенсифікації технологічних процесів.

В роботах Лосевої В. А., Журавльової З. Д., Бобрівника Л. Д., Хомічака Л. М., Немировича П. М., Жеплінської М. М., присвячених підвищенню ефекту очищення соків цукрового виробництва шляхом вдування водяної пари в дифузійний сік та сік цукрової тростини, відмічено досягнення значних технологічних ефектів. Але поряд з цим авторами глибоко не розглядались фізична суть і механізм ефектів, які мають при цьому місце, та їх вплив на процеси очищення соків. Аналіз робіт Долінського А. А., Полоцького І. Г., Кудрявцева Б. Б свідчить, що під час вдування водяної пари у рідину з температурою, значно нижчою температури пари, виникають кавітаційні ефекти.

Запропоновано визначення пароконденсаційної кавітації як одного із видів штучної кавітації. Підкреслено актуальність математичного моделювання під час вивчення кавітації.

На основі літературного аналізу визначені мета і задачі досліджень.

У другому розділі виходячи із задач дисертаційної роботи розглядаються запропоновані математичні моделі для теоретичного дослідження процесів у кавітаційних пристроях.

На підставі математичної моделі профілю швидкостей рідини і парогазової суміші в межовому шарі каверни (за методикою І. М. Федоткіна) вперше розраховано їх профіль.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для вивчення фізичної суті і механізму процесів, що протікають під час кавітаційного оброблення дифузійного соку, розроблено математичну модель процесу створення поля кавітаційних бульбашок. В її основу закладено гіпотезу, згідно з якою енергія хвиль N, що переноситься вздовж поверхні каверни, перетворюється в роботу створення кавітаційних бульбашок:

, (1)

де Y - вектор сил тиску, що діє на поверхню каверни з боку рідини; і - відповідно амплітуда коливань і кругова частота каверни в радіальному напрямку;

- густина рідини; dk - діаметр кавітаційних бульбашок.

Джерелом бульбашок у кавітаційному пристрої є шар парогазової суміші, що утворюється на межі з каверною (рис. 1).

Виходячи із припущення, що умовою існування каверни є рівність тисків з боку рідини і парогазової суміші, знаходимо діаметр кавітаційних бульбашок, що відриваються від поверхні каверни по її довжині:

, (2)

де D (x) - діаметр каверни на відстані l (х) від кавітатора; - коефіцієнт нерівномірності профілю швидкостей парогазової суміші в межовому шарі каверни; і v2x - відповідно густина і швидкість парогазової суміші в каверні.

Кількість кавітаційних бульбашок, що утворюються за одиницю часу з елементарного об'єму межового шару парогазової суміші з боку каверни, буде визначатися рівнянням

, (3)

де Ri і - відповідно радіус бульбашок і товщина межового шару парогазової суміші на ділянці хі. Загальна кількість бульбашок дорівнюватиме.

Утворені кавітаційні бульбашки під час їх колапсу виділяють енергію, яку можна визначити за рівнянням

. (4)

Для вивчення кавітаційних ефектів, що утворюються під час ПК кавітації, розроблено математичну модель динаміки парової бульбашки в потоці рідини з такими припущеннями: температура оточуючої бульбашку рідини на безмежній відстані Т1? залишається постійною (за літературними даними під час вдування пари дифузійний сік нагрівається на 4…5 С), рідина в'язка, безмежна, бульбашка пари в процесі колапсу має сферичну форму, враховується тепломасообмін між фазами, інерція оточуючої бульбашку рідини, зміна коефіцієнта опору бульбашки, а також залежність теплофізичних властивостей пари і рідини від температури. Відповідно до прийнятих припущень система основних рівнянь задачі, що розглядається має такий вигляд:

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

, (9)

де ; ; індекси 1 і 2 відповідно відносяться до рідини і парової фази; індекси гр, - характеризують фізичні характеристики фаз відповідно на межі поділу та безмежній відстані від них; R2 - радіус бульбашки; - густина; j12 - потік маси; v - швидкість; v1 - швидкість рідини на безмежній відстані від бульбашки; Сf - коефіцієнт опору для бульбашки пари під час її руху в потоці рідини; Т - температура; Ср - ізобарна теплоємність; - коефіцієнт динамічної в'язкості; - коефіцієнт поверхневого натягу на міжфазній поверхні вода - водяна пара; - універсальна газова стала; М - молекулярна маса водяної пари; Р - тиск.

За умови, що Т2>Т2гр>Т1гр>Т1, для тонкого суміжного шару бульбашки, на якому розглядається нерівноважна міжфазна межа, справедливе співвідношення

, (10)

де r - теплота пароутворення (конденсації) ; 1, 2 - коефіцієнти тепловіддачі, які знаходимо за рівняннями:

, (11)

, (12)

, , (13)

, , (14)

де - коефіцієнт теплопровідності; Re і Pr - відповідно критерій Рейнольдса і Прандтля;

Коефіцієнт опору Сf розраховуємо за рівнянням

, (15)

де при ; при ; при .

Система рівнянь (5) - (15) є замкненою і розв'язується завданням невідомих параметрів у початковий момент часу:

; ; ; ; ;

У третьому розділі розглядаються дослідження впливу ефектів ГД кавітації на процеси очищення дифузійного соку. Наведено опис експериментальної кавітаційної установки у вигляді замкненої гідротруби з насосом, яка може працювати також у режимі однократного оброблення рідини. У прозорій робочій ділянці (dp=25 мм) з конічним статичним кавітатором досліджували різні режими для оброблення дифузійного соку. Спочатку досліди проводились на воді для візуального визначення довжини каверни, а потім на дифузійному соку. Виходячи із робіт Козюка О. В., Федоткіна І. М., Литвиненка О. А. була проведена серія дослідів за коефіцієнтом стиснення потоку dk-pa/dp від 0, 64 до 0, 8 і стадії кавітації - від 0, 62 до 4, 0.

На підставі запропонованої математичної моделі створення поля кавітаційних бульбашок в ГД кавітаційному пристрої та даних експериментальних досліджень розраховані розміри кавітаційних бульбашок під час дробіння межового шару парогазової суміші каверни (рис. 2).

Аналіз сумарної енергії під час сплескування утворених кавітаційних бульбашок (рис. 3) свідчить про наявність ефективного режиму оброблення дифузійного соку за стадією кавітації в межах = 2, 0…2, 5.

Під час кавітаційного оброблення дифузійного соку встановлено, що вміст сухих речовин (СР) в ньому зменшується (рис. 4). Максимальна зміна СР спостерігається на стадії кавітації, що відповідає максимуму сумарної енергії під час сплескування кавітаційних бульбашок, що підтверджує адекватність запропонованої математичної моделі. За вказаною вище стадією кавітації відбувається максимальний ударно-хвильовий вплив від сплескування утворених кавітаційних бульбашок на дифузійний сік.

Зменшення вмісту СР дифузійного соку може пояснюватись як наслідок дегідратації частинок РКД, що містяться в ньому, з наступною коагуляцією цих частинок.

Для обгрунтування одного із можливих механізмів коагуляції РКД дифузійного соку пропонується схема моделі взаємодії частинок РКД і бульбашок під час кавітаційного оброблення соку (рис. 5).

З літературних джерел відомо, що частинки РКД мають негативний заряд, а кавітаційна бульбашка, згідно з теорією Френкеля Я. І., в момент утворення має поверхню лінзоподібної форми, на якій з одного боку утворюються заряди одного знака, а з іншого - протилежного. Внаслідок контакту частинок РКД і кавітаційних бульбашок зарядженими поверхнями із протилежними знаками в потоці дифузійного соку відбувається зниження їх заряду. При цьому руйнується сольватна оболонка частинок РКД, зменшується ступінь гідратації їх подвійного електричного шару і інтенсифікується процес коагуляції РКД.

Для визначення впливу ГД кавітаційного оброблення дифузійного соку на ефективність його очищення на Кагарлицькому цукровому заводі були проведені лабораторні дослідження з очищення дифузійного соку за типовою схемою і схемою з попереднім його обробленням в кавітаційному пристрої з конічним статичним кавітатором. За типовими методиками визначались швидкість відстоювання та об'єм отриманого осаду для соків попередньої дефекації та першої сатурації і вміст солей кальцію в очищеному соку другої сатурації та його чистота (табл. 1).

Таблиця 1

Технологічні показники соків після оброблення дифузійного соку в ГД кавітаційному пристрої.

Спосіб очищення	Сік
	дифузійний	попередньої дефекації	Першої сатурації	другої сатурації
	Ч, %	S5, см/хв	V20, %	S5, см/хв	V20, %	Солі Са2+, % СаО	Ч, %
Типовий	86, 5	3, 2	33	3, 3	30	0, 04	90, 3
	86, 3	3, 0	35	3, 1	31	0, 036	90, 5
	86, 7	3, 3	32	3, 3	31	0, 04	90, 6
Середнє значення	86, 5	3, 2	33, 3	3, 2	30, 7	0, 039	90, 5
Запропонований	86, 5	3, 7	32	3, 9	25	0, 021	91, 3
	86, 3	3, 9	30	4, 1	26	0, 020	91, 5
	86, 7	4, 0	30	4, 1	24	0, 021	91, 5
Середнє значення	86, 5	3, 9	29, 0	4, 0	25, 0	0, 021	91, 4

Як видно із дослідних даних, кавітаційне оброблення дифузійного соку інтенсифікує процеси коагуляції РКД дифузійного соку на попередній дефекації і адсорбції нецукрів на стадіях першої і другої сатурації, про що свідчить збільшення чистоти очищеного соку на 0, 7%.

Відсутність на більшості заводів примусової подачі дифузійного соку на попередню дефекацію та економічні труднощі не дозволили впровадити розроблений спосіб інтенсифікації у цукрову промисловість.

У четвертому розділі наведено результати дослідження впливу ефектів ПК кавітації на процеси очищення дифузійного соку.

Для візуальних спостережень за факелом пари (парової каверни), який створюється під час її вдування через сопло в потік води, і за супутніми ефектами, що відбуваються при цьому, на лабораторній установці з прозорою робочою ділянкою були проведені експерименти. Дослідження проводились при сталих початковій температурі води та витраті, різних значеннях витрат пари та температури, яка відповідала температурі екстрапарів корпусів випарної установки цукрового заводу. На підставі фотозйомки та візуальних спостережень встановлено, що радіус парових бульбашок в потоці за каверною має межі 0, 25…2 мм залежно від умов проведення експерименту. Вдування водяної пари супроводжувалось характерним кавітаційним шумом, інтенсивність якого зменшувалась зі збільшенням витрат пари. Це можна пояснити зростанням в потоці рідини кількості парових бульбашок більших розмірів.

Для вивчення ефектів, що відбуваються під час вдування водяної пари в потік недогрітої рідини, проведено математичне моделювання за запропонованою моделлю динаміки парової бульбашки.

Приклади розв'язку математичної моделі наведені на рис. 6-8. З їх аналізу витікає, що за початкового радіуса бульбашки до 1 мм амплітуда і частота коливань її поверхні наростає до кінця часу її існування. Це свідчить про те, що саме під час сплескування цих бульбашок виділяється більше енергії. Також встановлено, що кавітаційні ефекти будуть більш суттєвими зі збільшенням різниці температур між парою і рідиною. Це збігається з висновками в роботах А. А. Долінського.

Нами запропоновано застосування ПК кавітаційного оброблення водно-вапняної суспензії з метою підвищення її активності. Встановлено, що оптимальна витрата пари знаходиться в межах 1, 75…2% до маси суспензії. Вплив температури (тиску) пари на активність водно-вапняної суспензії наведено в табл. 2.

Порівняння отриманих результатів з даними ГД кавітаційної активації водно-вапняної суспензії в роботах Немчина О. Ф. (активність зростає з 74 до 93%) дає можливість зробити висновок про аналогічність дії ефектів ГД і ПК кавітації на водно-вапняну суспензію. Але апаратурне оформлення для проведення ПК кавітаційної активації водно-вапняної суспензії простіше у виконанні та обслуговуванні.

На основі цих досліджень запропоновано спосіб очищення дифузійного соку, який дає змогу зменшити витрати вапнякового каменю на виробництво цукру.

Досліджено вплив кавітаційного оброблення дифузійного соку на седиментаційно-фільтраційні властивості соку попередньої дефекації. Їх оцінювали швидкістю осідання (S5, см/хв), величиною фільтраційного коефіцієнта (Fk) та об'ємом осаду після відстоювання через 20 хв. (V20, %), які визначались за типовими методиками (рис. 9). Встановлено, що при цьому відбувається збільшення S5 на 19, 4%, зменшення Fk і V20 відповідно на 29 та 17, 6%.

Таблиця 2

Зміна активності водно-вапняної суспензії під час її ПК кавітаційного оброблення

Тиск пари, МПа	0	0, 12	0, 16	0, 20	0, 24
Активність водно-вапняної суспензії, % до маси загального вапна	80, 4	85, 5	87, 0	88, 5	88, 9

Проведено також мікрофотографування відповідних проб осаду соку попередньої дефекації за допомогою універсального дослідного мікроскопа МБИ-15, що дало збільшення у 3389 разів. Отриманий розподіл частинок осаду наведено у вигляді діаграми на рис. 10. Підвищення вмісту частинок осаду з більшими розмірами (3, 0…4, 5 мкм) в соку попередньої дефекації (рис. 10б) свідчить, що кавітаційне оброблення дифузійного соку інтенсифікує процеси коагуляції, седиментації та фільтрування на подальших

Вплив ефектів ПК кавітації на ефективність очищення дифузійного соку оцінювався за тими самими технологічними показниками соків (табл. 3), що і для ГД кавітаційного оброблення (табл. 1). Досліди були проведені одночасно з одним і тим самим дифузійним соком. Використовували екстрапару першого корпусу випарної установки при сталій різниці між температурами дифузійного соку до і після оброблення t = 5С, що відповідає витраті пари в межах 1% до маси соку..

Таблиця 3

Технологічні показники соків після оброблення дифузійного соку в ПК кавітаційному пристрої

Спосіб очищення	Сік
	дифузійний	попередньої дефекації	першої сатурації	другої сатурації
	Ч, %	S5, см/хв	V20, %	S5, См/хв	V20, %	Солі Са2+, % СаО	Ч, %
Запропонований	86, 5	3, 5	29	3, 7	26	0, 025	91, 1
	86, 3	3, 7	30	3, 9	27	0, 021	91, 3
	86, 7	3, 8	28	4, 1	25	0, 027	91, 0
Середнє значення	86, 5	3, 7	29	3, 9	26	0, 028	91, 2

Із порівнянь цих даних можна зробити висновок про аналогічність інтенсифікувального впливу ефектів ГД і ПК кавітаційного оброблення дифузійного соку на процеси його очищення.

На підставі досліджень одночасного кавітаційного та хімічного оброблення дифузійного соку з використанням згущеної суспензії соку другої сатурації як хімічного реагенту (табл. 4) запропоновано спосіб очищення дифузійного соку, на який отримано патент України. Витрати пари становлять 0, 9…1, 0%, а суспензії - 3, 0…3, 5% до маси соку.

Таблиця 4

Технологічні показники соків після одночасного ПК кавітаційного та хімічного оброблення дифузійного соку

Показники соків	Способи
	типовий	запропонований
Чистота дифузійного соку, %	86, 4	86, 4
Сік першої сатурації: швидкість седиментації S5, см/хв.	3, 5	4, 0
обєм осаду V20, %	10, 5	8, 6
Сік другої сатурації: вміст РКД, % до маси соку	0, 28	0, 20
величина кольоровості, од. опт. густ.	185	147
вміст солей кальцію, % до маси СР	0, 23	0, 15
чистота, %	89, 6	90, 1

При введенні суспензії соку другої сатурації в дифузійний сік відбуваються реакції нейтралізації вільних кислот з утворенням їх солей, що адсорбуються на поверхні карбонату кальцію. Завдяки кавітаційним ефектам відбувається прискорення цього процесу, як і процесу коагуляції частинок РКД, що за типовою схемою проходить на попередній дефекації соку. Це в кінцевому результаті приводить до покращання технологічних показників сатураційних соків і відповідно до підвищення ефекту очищення та зменшення витрат вапна на 0, 15…0, 2% СаО.

У п'ятому розділі розглядаються різні конструкції ПК кавітаційних пристроїв, що були розроблені та впроваджені під час виконання дисертаційної роботи. На основі результатів теоретичних та промислових досліджень розроблено пароструминний реактор (ПК кавітаційний пристрій) для очищення дифузійного соку з його одночасним кавітаційним та хімічним обробленням (рис. 13), на який отримано рішення про видачу патенту України на винахід. Як хімічний реагент може застосовуватись також водно-вапняна суспензія. Використання в конструкції реактора конфузора і дифузора забезпечує, зокрема більш ефективну дію інерції рідини на вплив кавітаційних ефектів під час оброблення дифузійного соку. Такий пристрій впроваджено на Слуцькому цукрорафінадному заводі (республіка Бєларусь).

Висновки

Вперше на підставі математичної моделі профілю швидкостей рідини і парогазової суміші в межовому шарі каверни розраховано ці швидкості, що дає можливість розрахувати коефіцієнт нерівномірності профілю швидкостей рідини і парогазової суміші в межовому шарі каверни, дотичні напруження на межі з каверною під час її обтікання рідиною та визначити тепломасообмін у порожнину каверни.

На підставі гіпотези, згідно з якою енергія хвиль, що переноситься вздовж поверхні каверни, перетворюється в роботу створення поля кавітаційних бульбашок, а їх джерелом є шар парогазової суміші, який утворюється на межі з каверною, запропоновано математичну модель процесу створення поля кавітаційних бульбашок. Визначення за цією моделлю розмірів кавітаційних бульбашок дає змогу розрахувати енергію під час їх колапсу.

Для вивчення впливу кавітаційних ефектів, що відбуваються під час вдування пари в потік недогрітої рідини, запропоновано математичну модель динаміки парової бульбашки. На її основі підтверджено, що кавітаційні ефекти будуть більш суттєвими при збільшенні різниці температур між парою і рідиною. Встановлено, що для бульбашок з радіусом до 1 мм амплітуда і частота коливань їх поверхні наростає до кінця часу їх сплескування, і отже, саме ці бульбашки здатні виділяти максимальну енергію під час колапсу.

Встановлено, що під час ГД кавітаційного оброблення дифузійного соку відбувається зниження в ньому вмісту сухих речовин за рахунок дегідратації РКД дифузійного соку. Запропоновано схему моделі взаємодії частинок РКД дифузійного соку і кавітаційних бульбашок, що дає можливість пояснити один із механізмів коагуляції РКД під впливом кавітаційних ефектів. Визначено, що ефективний режим оброблення дифузійного соку відповідає стадії кавітації в межах 2…2, 5 і коефіцієнті стиснення потоку 0, 8. Встановлено, що використання ГД кавітаційного оброблення дифузійного соку інтенсифікує процес коагуляції РКД соку на попередній дефекації, адсорбції нецукрів на першій і другій сатурації, про що свідчить збільшення чистоти очищеного соку другої сатурації на 0, 7%, і відповідно вихід цукру на 0, 16%, покращання седиментаційно-фільтраційних властивостей соків попередньої дефекації і першої сатурації.

Розроблено спосіб очищення дифузійного соку з використанням активованої водно-вапняної суспензії шляхом її ПК кавітаційного оброблення (патент України № 21585А від 01. 06. 98р.) Встановлено, що під дією кавітаційних ефектів збільшується реакційна здатність водно-вапняної суспензії на 8…10% при витраті пари 2% до маси суспензії. Це дає можливість зменшити витрати вапнякового каменю на виробництво цукру на 0, 3% до маси буряків.

В результаті проведених експериментів встановлено аналогічність впливу ефектів ГД і ПК кавітації на процеси очищення дифузійного соку.

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено спосіб очищення дифузійного соку (Патент України №18177 А від 01. 07. 97р.), який передбачає його одночасне кавітаційне і хімічне оброблення з використанням згущеної суспензії соку другої сатурації як хімічного реагенту. Цей спосіб впроваджено на Лохвицькому цукровому заводі і Слуцькому цукрово-рафінадному заводі, що дало можливість тільки за рахунок збільшення виходу цукру отримати економічний ефект відповідно 98680 грн і 594470 рос. руб (в цінах станом відповідно на 1997 і 1998р.). Крім цього, на заводах також було відзначено зменшення витрат вапнякового каменю.

На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблено пароструминний реактор (ПК кавітаційний пристрій) для очищення дифузійного соку (рішення про видачу патенту України на винахід, заявка №98115928 від 09. 11. 98 р.). Цей пристрій впроваджено на Слуцькому цукрово-рафінадному заводі.

Запропоновано конструкцію відстійника для розділення суспензій, на який отримано патент України на винахід №22752 А від 21. 04. 98р. Лабораторні дослідження при випробовуванні в умовах Кагарлицького цукрового заводу дослідного зразка відстійника підтвердили ефективність такої конструкції для розділення суспензії на стадії очищення дифузійного соку.

Основні положення дисертації викладено в таких працях:

Вплив одночасної обробки дифузійного соку відкритою парою та вапном на ефективність бурякоцукрового виробництва / Л. Д. Бобрівник, М. М. Жеплінська, Л. М. Хомічак, П. М. Немирович, А. М. Матиящук //Експрес-новини: наука, техніка, виробництво. - 1996. - №22. - С. 6-7.

Інтенсифікація очищення дифузійного соку з використанням відкритої пари / Л. М. Хомічак, А. М. Матиящук, Л. Д. Бобрівник, П. М. Немирович //Експерс-новини: наука, техніка, виробництво. - 1997. - №21-22. - С. 4-5.

Гідродинамічна кавітація як один із методів інтенсифікації попередньої дефекації / А. М. Матиящук, П. М. Немирович, Л. М. Хомічак, І. Ф. Малежик, М. М. Жеплінська, М. М. Пушанко // Наук. праці УДУХТ. - К. : - 1998. - №4. -Ч. 1. -С. 44-45.

Розроблення і випробування раціональної конструкції відстійника для сатураційних соків. / Н. М. Пушанко, А. М. Матиящук, Л. М. Хомічак, Л. П. Рева //Наук. праці УДУХТ. - К. - 1998. - №4. - Ч. 2. - С. 83-85.

Теоретичне обгрунтування вдування водяної пари для очищення дифузійного соку / А. М. Матиящук, П. М. Немирович, Л. М. Хомічак, М. Є. Козіцька //Експрес-новини: наука, техніка, виробництво. - 1998. - №1-2. - с. 11-12.

Zvэљeni efektivnosti epurace v cukrovarnickй vэrobe / I. S. Gulyi, L. D. Bobrovnik, L. M. Chomiиak, P. M. Nemiroviи, A. N. Matiyaљиuk //Listy cukrovarnickй a шepaшskй. -Bratislava, 1999. -N2. - S. 55-56.

Математична модель створення поля кавітаційних бульбашок у гідродинамічному кавітаційному пристрої / А. М. Матиящук, П. М. Немирович, Л. М. Хомічак, І. М. Федоткін // Харч. пром-сть. - 2000. - № 45. - С. 34-39.

Пат. 18177 А Україна, очистки дифузійного соку / М. М. Жеплінська, Л. М. Хомічак, П. М. Немирович, А. М. Матиящук, І. Б. Петриченко, М. Є. Козіцька-Опубл. 31. 10. 97р. -Бюл. № 5.

Пат. 21585 А Україна, MПK C13D 3/02. Спосіб очищення дифузійного соку / М. М. Жеплінська, А. М. Матиящук, Л. Д. Бобрівник, Л. М. Хомічак, П. М. Немирович, І. Б. Петриченко. - Опубл. 30. 04. 98р. -Бюл. №2.

Пат. 22752 А Україна, MПK C13D 3/02. Відстійник для розділення полідисперсних суспензій. / Н. М. Пушанко, А. М. Матиящук, Л. М. Хомічак, В. А. Лагода, П. М. Немирович, Л. П. Рева, Г. О. Сімахіна. - Опубл. - 30. 06. 98р. - Бюл. №3

Вплив кавітаційного оброблення дифузійного соку на ефективність його дефекосатураційного очищення / А. М. Матиящук, П. М. Немирович, Л. М. Хомічак, І. Ф. Малежик, О. А. Литвиненко, П. П. Лобода // Тези доп. ІХ Міжнар. конф. “Удосконалення процесів та апаратів хім., харч. та нафтохім. виробництв” - Ч. 1. - Одеса, ОДАХТ. - 1996. -С. 12.

Вплив гідродинамічної кавітації та дії відкритої пари на ефективність очищення дифузійного соку / А. М. Матиящук, П. М. Немирович, Л. М. Хомічак, Л. Д. Бобрівник, І. Ф. Малежик, М. М. Жеплінська //Тези доп. Міжнар. наук. -тех. конф. “Розроблення та впровадж. ресурсоощад. технологій та обладнання в харч. та перероб. пром-сть”. -К. : УДУХТ, 1997. - С. 101.

Інтенсифікація процесу очищення дифузійного соку з використанням відкритої пари та суспензії соку 2-ї сатурації / М. М. Жеплінська, Л. Д. Бобрівник, Л. М. Хомічак, П. М. Немирович, А. М. Матиящук // Тези доп. Міжнар. наук. -тех. конф. “Розроблення та впровадж ресурсоощад. технологій та обладнання в харч. та перероб. пром-сть”. -К. : УДУХТ, 1997. - С. 12.

Матиящук А. М., Хомічак Л. М., Немирович П. М., Малежик І. Ф. Математичне моделювання створення кавітаційного поля //Тези доп. Х Міжнар. конф. “Вдосконалення процесів та апаратів хім. та харч. виробництв”. - Львів: ДУ “Львівська політехніка”. - 1999. - С. 80-81.

Дослідження конденсаційного колапсу парової бульбашки / А. М. Матиящук, П. М. Немирович, Л. М. Хомічак // Тези доп Міжнар. наук. -техн. конф. “Проблеми та перспективи створення і впровад. нових ресурсо- та енергоощад. технологій, обладнання в галузях хар. і перероб. проми-сті”. - К. : УДУХТ, 1999. -C. 113.

Крім того, отримано рішення про видачу патенту України на винахід, заявка № 98115928 від 09. 11. 98 р.

Матиящук А. М. Інтенсифікація процесів очищення дифузійного соку із застосуванням кавітації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 18. 12 - процеси та апарати харчових виробництв. - Український державний університет харчових технологій, Київ, 2000.

Дисертація присвячена використанню кавітаційних ефектів для інтенсифікації процесів очищення дифузійного соку на основі доповнення теоретичних уявлень та проведення експериментальних досліджень в лабораторних та промислових умовах. Запропоновано математичні моделі створення поля кавітаційних бульбашок під час гідродинамічної кавітації та динаміки парової бульбашки в потоці недогрітої рідини. Науково обгрунтовано використання кавітаційних ефектів під час вдування водяної пари в потік дифузійного соку для інтенсифікації процесів його очищення. Встановлено аналогічність впливу ефектів гідродинамічної та пароконденсаційної кавітації на технологічні характеристики соків цукрового виробництва. Розроблено способи очищення дифузійного соку, що базуються на його одночасному кавітаційному і хімічному обробленні та пароконденсаційній кавітаційній активації водно-вапняної суспензії. Розроблено способи очищення дифузійного соку, що базуються на його одночасному кавітаційному і хімічному обробленні та пароконденсаційній кавітаційній активації водно-вапняної суспензії. Запропоновано конструкцію відстійника для розділення суспензії на стадії очищення дифузійного соку. Наведено дані про ефективність розробок та їх впровадження в цукрову промисловість.

Ключові слова: кавітація, очищення, пара, процес, ефект, дифузійний сік.

Матиящук А. Н. Интенсификация процессов очистки диффузионного сока сахарного производства с применением кавитации. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05. 18. 12 - процессы и аппараты пищевых производств, Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 2000.

Диссертация посвящена использованию эффектов кавитации для интенсификации процессов очистки диффузионного сока на основании дополнения теоретических представлений и проведения экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях.

Предложена математическая модель образования поля кавитационных пузырьков на основании гипотезы, согласно которой энергия волн, образующихся на поверхности каверны, превращается в работу образования пузырьков. Источником пузырьков является слой парогазовой смеси, образующийся на поверхности каверны. Для изучения влияния кавитационных эффектов, наблюдаемых при вдувании водяного пара в поток недогретой жидкости, предложена математическая модель динамики парового пузырька. На основании этой модели установлено, что для паровых пузырьков радиусом до 1 мм наблюдается увеличение амплитуды и частоты колебания их поверхности до конца времени их существования. Это свидетельствует о том, что именно эти пузырьки способны выделять максимальную энергию при их коллапсе.

Установлено, что при гидродинамической кавитационной обработке диффузионного сока происходит снижение в нем содержания сухих веществ за счет дегидратации веществ коллоидной дисперсности. Предложена схема модели взаимодействия частиц веществ коллоидной дисперсности диффузионного сока и кавитационных пузырьков, которая дает возможность раскрыть один из механизмов коагуляции под действием кавитационных еффектов. Определено, что эффективный режим обработки диффузионного сока наблюдается при стадии кавитации в пределах 2…2, 5 и коэффициенте стеснения потока 0, 8. Установлено, что использование гидродинамической кавитационной обработки диффузионного сока интенсифицирует процесс коагуляции веществ коллоидной дисперсности сока на предварительной дефекации, адсорбции несахаров на первой и второй сатурации. Об этом свидетельствует повышение чистоты очищенного сока второй сатурации на 0, 7%, улучшение седиментационно-фильтрационных свойств соков предварительной дефекации и первой сатурации.

Научно обосновано использование кавитационных эффектов при вдувании пара в поток диффузионного сока с целью интенсификации процессов его очистки. Изучено влияние этих эффектов на седиментационно-фильтрационные свойства сока предварительной дефекации. Проведено микрофотографирование проб осадка сока предварительной дефекации. Установлено, что пароконденсационная кавитационная обработка дифузионного сока интенсифицирует процессы коагуляции, отстаивания и фильтрования на последующих стадиях его очистки. Определена аналогичность влияния эффектов гидродинамической и пароконденсационной кавитации на технологические свойства соков свеклосахарного производства.

Установлено, что при пароконденсационной кавитационной обработке водо-известковой суспензии увеличивается ее реакционная способность на 8... 10% при расходе пара 2% к массе суспензии. Это позволяет уменьшить расход известкового камня на производство сахара на 0, 3% к массе свеклы. Разработан способ очистки диффузионного сока с использованием активированной водо-известковой суспензии. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработан способ очистки диффузионного сока, который предполагает его одновременную кавитационную и химическую обработку с использованием сгущенной суспензии сока второй сатурации в качестве химического реагента. Разработан пароструйный реактор (ПК кавитационное устройство) для реализации предложенного способа.

Предложена конструкция отстойника для разделения суспензий на стадии очистки диффузионного сока. Приведены данные об эффективности использования разработок и их внедрении в сахарную промышленность.

Ключевые слова: кавитация, очистка, пар, процесс, эффект, диффузионный сок.

Маtijastchuk А. М Intensification of processes of purification of crude juice of sugar industry with application of a cavitation. - Manuscript.

The thesis for a scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05. 18. 12 - processes and apparatuses of food industry. - Ukrainian State University of Food Technologies, Kiev, 2000.

The thesis is dedicated to usage of cavitation effects for intensification of processes of purification of crude juice on the base of the theoretical ideas deepening and realization of experimental researches in laboratory and industrial conditions. The mathematical models of creation of a cavitation bubble field at a hydrodynamic cavitation and dynamics of a steam bubble in a flow underheating of a liquid. Usage of cavitation effects is scientifically justified at an insufflation a water steam in a flow of crude juice for intensification of processes of his purification. Is established the analogy of influencing of effects hydrodynamic and of steam-condensation of a cavitation on technological characteristics of juices of sugar production. The methods of purification of crude juice are designed, which is bottomed on his simultaneous by cavitation and chemical treatment and by steam-condensation of a cavitation an activation of a limewater. The steam-jet reactor (SC of the cavitation device) for simultaneous by cavitation and chemical treatment of crude juice is designed. The design of a settler for of suspensions at the stage of purification of crude juice is offered. The data about efficiency of methods and their introduction in a sugar industry are adduced.

Key words: cavitation, purification, steam, process, effect, crude juice.

Автор висловлює подяку за допомогу в роботі доц. Хомічаку Л. М.

Размещено на Allbest.ru