Использование вибрационного воздействия в процессах массообмена

УДК 66.061

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕССАХ МАССООБМЕНА

© 2008 г. С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, Е.В. Мищенко

Курский государственный технический State Technical University,

университет Kursk

Представлены результаты экспериментальных исследований процессов фильтрации и экстракции с применением вибрационного воздействия. Показано, что вибрационное воздействие значительно интенсифицирует массообменные процессы.

Ключевые слова: вибрация, фильтрация, экстракция, массообмен, мембрана.

This work presents the results of experimental researches of filtration and extraction processes with application of vibrating influence. It is shown that vibrating influence considerably intensifies mass exchange processes.

Keywords: vibration, filtering, extraction, mass exchange, membrane.

Во многих областях промышленности (химическая, пищевая и т.д.) широко используются такие массообменные процессы, как фильтрация, экстракция, сушка и т.п. [1, 2]. Эффективным методом интенсификации массообменных процессов является вибрационное воздействие [3]. Оно позволяет значительно ускорить процессы массообмена, снизить себестоимость и повысить качество получаемого продукта.

В работе исследовалось влияние вибрационного воздействия на процессы экстракции и фильтрации жидких сред. В настоящее время в технологических процессах различных производств широко используется мембранное фильтрование. Однако частицы, удерживаемые фильтром, с течением времени образуют на поверхности мембраны плотный слой, который увеличивает сопротивление потоку и препятствует фильтрации, а это требует частой очистки и замены фильтров.

Поток жидкости через мембрану обусловлен градиентом гидравлического давления. Растворенное вещество, которое не проходит через мембрану, накапливается в тонком граничном слое вблизи поверхности мембраны и приводит к изменению концентрации в направлении, противоположном фильтрации. Растворенное вещество благодаря градиенту концентрации диффундирует через этот граничный слой.

Для проведения экспериментальных исследований процесса экстракции и фильтрации в условиях вибрационного внешнего воздействия была разработана установка для исследования эффектов переноса спиртового раствора настойки из плодов боярышника через многослойную трековую мембрану (рис. 1).

На первом этапе эксперименты проводились без вибрационного воздействия. На полой трубе 2 крепится мембрана 3, затем труба 2 наполняется 30 %-м спиртовым раствором настойки (ЛпсШга Crataegi) из плодов боярышника 4 (объем 5 мл). Жидкость, проникая через мембрану, растворяется в дистиллированной воде, которой наполнена стеклянная емкость 6

(объем = 20 мл). Через равные промежутки времени (2,5 мин) через технологические отверстия 1 производится забор жидкости 5 из емкости 6. Для определения концентрации жидкости, прошедшей через мембрану, применялся рефрактометр «Карат-МТ», с помощью которого определялся показатель преломления. Зная изменение показателя преломления жидкости, можно определить изменение концентрации растворенной в ней настойки.

Рис. 1. Схема проведения эксперимента прохождения спиртового раствора настойки из плодов боярышника через мембрану: 1 - технологические отверстия; 2 - полая труба; 3 - мембрана; 4 - раствор настойки боярышника;

5 - жидкость; 6 - емкость

Аналогичным образом были проведены экспериментальные исследования при вибрационном воздействии. Причем мембране сообщались вертикальные колебания с частотой 50 Гц. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице. По результатам экспериментальных исследований построены графики зависимости концентрации настойки от времени без и при вибрационном воздействии (рис. 2).

Затем были проведены исследования влияния вибрационного воздействия на процесс экстракции с использованием экспериментального стенда (рис. 3).

Результаты экспериментальных исследований процесса прохождения раствора боярышника через мембрану

Время забора жидкости, мин Оптическая плотность Концентрация настойки, %

Без воздействия С воздействием вибрации Без воздействия С воздействием вибрации

0 1,331 1,331 0 0

2,5 1,332 1,334 1 2,8

5,0 1,332 1,335 1 3,8

7,5 1,333 1,335 1,9 3,8

10,0 1,334 1,336 2,8 4,7

12,5 1,335 1,336 3,8 4,7

15,0 1,336 1,337 4,7 5,6

2 / — *

/ t 1 /

t ! t у

1/

2,5 5,0 7,5 10 Время, мин

12,5

15

Рис. 2. График зависимости концентрации настойки от времени: 1 - без воздействия; 2 - при вибрации

10

Рис. 3. Экспериментальный стенд для изучения массооб-менных процессов в условиях вибрационного воздействия:

I - реактор; 2 и 3 - крышки; 4 - электромагнитный привод; 5 - втулка; 6 - система управления; 7 - рабочий орган; 8 -патрубки для отбора; 9 - рубашка реактора; 10 - компрессор;

II - отфильтрованный экстракт; 12 - мембранный фильтр;

13 - виброопоры

Стенд работает следующим образом. С помощью системы управления 6 задается частота колебаний якорей электромагнитов 4 и вал рабочего органа 7 совершает возвратно-поступательное движение. Установленные на валу перфорированные диски создают в растворе затопленные турбулентные потоки, что приводит к активному перемешиванию раствора. Внутри реактора установлен фильтрующий элемент 12, представляющий собой трековую мембрану с диаметром пор 0,2 - 0,4 мкм. После окончания процесса экстракции жидкость, находящаяся в реакторе, очищается мембранным фильтром и подается в сосуд для сбора экстракта. Для ускорения процесса фильтрации внутри реактора создается вакуум с помощью компрессора 10.

Экспериментальные исследования проводились для исследования процесса экстракции флавоноидных соединений раствором этилового спирта (50 % по объему) из плодов боярышника (56 °С, соотношение твердой и жидкой фазы 1:6 соответственно) при механическом (перемешивание мешалкой вращательного движения, 0,5 об/с) и вибрационном (амплитуда колебаний 2 мм, частота колебаний 12 Гц) воздействии. Зависимость концентрации экстракта боярышника с течением времени при различном внешнем воздействии представлена на рис. 4.

1,2

4 s 1,0

u

s 0,8

t*

а л 0,6

(р

IS 0,4

я

о и 0,2

0

2

—£ 3

1

10

15 20 Время, мин

25 30

35

Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований процесса экстракции: 1 - с помощью мешалки вращательного движения; 2 - при вибрации

5

По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что внешнее вибрационное воздействие ускоряет процесс прохождения жидкости через мембрану, т.е. наложение вибрации на мембрану способствует процессу очистки поверхностного слоя мембраны.

2. Применение вибрационного воздействия значительно интенсифицирует массообменные процессы и повышает выход целевого продукта, что позволяет значительно ускорить процесс экстракции.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ - Грант 06-08-00365-а и Грант Президента РФ № МК-4826.2007.8.

Поступила в редакцию

Литература

1. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн.: Учеб. для вузов / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остри-ков и др.; Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. М. 2001.

2. Валентас К.Дж., Ротштейн Э., Сингх Р.П. Пищевая инженерия: Справочник с примерами расчетов. СПб., 2004.

3. Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Яцун С.М. Исследование процесса фильтрации жидких сред через пористую поверхность при вибрационных воздействиях // Изв. вузов. Машиностроение. 2007. № 5. С. 67-74.

29 мая 2008 г.

Яцун Сергей Федорович - д-р техн. наук, зав. кафедрой теоретической механики и мехатроники Курского государственного технического университета. Тел.: (4712) 52-38-07. E-mail: teormeh@inbox.ru

Мищенко Владимир Яковлевич - канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической механики и мехатроники Курского государственного технического университета. Тел.: (4712) 56-13-59. E-mail: mishenko47@mail.ru

Мищенко Елена Владимировна - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии и оборудования пищевых производств Курского государственного технического университета. Тел.: (4712) 56-13-59. E-mail: art_lena@inbox.ru