Разработка моделей равновесия пар-жидкость, жидкость-жидкость, твердое тело-жидкость для систем масложировой и спиртовой промышленности

как они в максимальной степени сохраняют нативные свойства сырья и экономят время на домашнее приготовление пищи. Нами разработаны рецептуры быстрозамороженных овощных смесей на основе топинамбура, которые имеют привлекательный внешний вид, хороший вкус, сбалансированный состав и предназначены в первую очередь для питания больных диабетом. Доказано, что их употребление не вызывает повышения содержания сахара в крови.

Основной проблемой при замораживании топинамбура является потемнение мякоти в результате ферментативного окисления полифенольных веществ. Установлено, что полифенолоксидаза топинамбура устойчива к действию низких температур: она сохраняла свою активность на уровне 90% после 4 мес хранения при -30°С. С целью инактивации ферментных систем, стабилизации цвета продуктов предложен способ бланширования предварительно подготовленного сырья в молочной сыворотке. Его преимуществом по сравнению с традиционным бланшированием в воде является сокращение потерь сухих веществ, улучшение вкуса и консистенции продукта.

Проведенные комплексные исследования технологии переработки топинамбура создали технологическую базу для производства на его основе функциональных продуктов питания в широком ассортименте. Промышленное освоение разработок позволит из дос-

тупного и относительно дешевого сырья получать ценные пищевые продукты общего и специального назначения, эффективно использовать производственные площади и оборудование в межсезонный период.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бархатов В. Ю., Бредихина В.А., Андреева Л.П., Фа -раджева Э.И. Профилактические продукты питания на основе топи -намбура // Междунар. симпозиум «Экология человека: проблемы и состояние лечебно-профилактического питания»: Тез. докл. - М., 1994.

2. Бархатов В.Ю., Бредихина В.А. Разработка технологии пюреобразных консервов на основе топинамбура // Междунар. науч.-техн. конф. «Науч.-техн. прогресс в пищевой пром-сти»: Тез. докл. - Могилев, 1995.

3. Мамедова Э.И., Бархатов В.Ю., Рубан В.С. Способ гидролиза инулина топинамбура // Изв. вузов. Пищевая технология.

- 1998. - № 2-3. - С. 48^9.

4. Клевцова О.М., Дыкань В.Н., Рыльская Л.А., Бархатова (Фрампольская) Т.В. Создание продуктов нового поколения с использованием растительного сырья // Тез. Междунар. науч.-практ. конф. «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг», 18-21 декабря 2001 г.

5. Сазонова О.П., Бархатова (Фрампольская) Т.В. Пре-биотические свойства пюре топинамбура // Изв. вузов. Пищевая тех -нология. - 2001. - № 2-3. - С. 36-37.

Кафедра технологии молочных и консервированных продуктов

Поступила 19.01.05 г.

664.3.663.5.66.911

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ РАВНОВЕСИЯ ПАР-ЖИДКОСТЬ, ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ, ТВЕРДОЕ ТЕЛО-ЖИДКОСТЬ ДЛЯ СИСТЕМ МАСЛОЖИРОВОЙ И СПИРТОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Е.Н. КОНСТАНТИНОВ, Т.Г. КОРОТКОВА

Кубанский государственный технологический университет

Моделирование и совершенствование процессов тепло- и массообмена, протекающих в колонных аппаратах масложировой и спиртовой промышленности, невозможно без наличия данных о фазовом равновесии. Точность расчета равновесных составов в фазах определяет термодинамические возможности процессов. Любые усовершенствования методов расчета, например, массопередачи, оказываются бесполезными, если нет надежных экспериментальных данных по фазовому равновесию. Эта надежность играет особую роль для спиртовых смесей, потому что к качественным показателям пищевого этилового спирта предъявляются высокие требования. Вместе с тем технологические схемы таковы, что в спиртовой колонне приходится отбирать боковые фракции в местах максималь -ного содержания примесей. Точность расчета профиля концентраций примесных компонентов по высоте колонны определяется преимущественно термодинамикой, т.е. точностью описания парожидкостного равновесия. Бинарная смесь этиловый спирт-вода относится

к азеотропным системам. Характерная особенность спиртовых смесей - их неидеальность. Еще более сложно ведут себя примеси, в которых наблюдается такая степень неидеальности в смеси с водой и со спиртом, что некоторые бинарные и тройные смеси являются расслаивающимися.

К сильно неидеальной относится и система масляная мицелла-масличный материал, которая состоит из смеси различных триацилглицеридов с небольшим содержанием жирных кислот, фосфолипидов, других нежировых веществ и растворителя. Молекулы триацилглицеридов представляют собой частицы значительной величины по сравнению с молекулами экстракционного бензина или другого растворителя. Поэтому они должны рассматриваться как г-меры и для описания жидкого состояния смеси растительного масла с растворителем применимы теория группового состава и концепция локального состава. Жидкость в порах материала может рассматриваться как самостоятельная система в поле адсорбционных сил, находящаяся в равновесии с внешней по отношению к твердому телу (наружной) жидкостью.

(0

с[

ф

5

2 2 X

К 8

5 *

и

1 о а а.

1 2

2 а а

ф

5

о

о 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Содержание н-масляного альдегида в жидкой фазе, мол %

Рис. 1

В настоящее время для описания фазового равновесия в системах пар-жидкость и жидкость-жидкость широкое распространение получили модели групповых составов. На основе теории Гуггенгейма и концепции локального состава предложена модель ИМрИАС [1,2], в которой использована идея группового состава, наиболее полно реализованная в моделях А80в [3] и ИМБАС [4-6]. В них молекулы представляются совокупностью структурных групп, практически независимо от их расположения в молекуле, коэффициент активности складывается из двух составляющих: комбинаторной и энергетической Модель А80в широко применяется для предсказания равновесий пар-жидкость и жидкость-жидкость при оценках энтальпий смешения. Модель ИМБАС разработана более систематически, чем модель А80в. Энергетические (подгоночные) параметры моделей носят эмпирический характер и оцениваются по экспериментальным данным. Для модели ИМБАС в справочниках приводятся обширные таблицы параметров, позволяющие предсказывать свойства многих смесей. Именно поэтому данная модель широко применяется для вычисления коэффициентов активности компонентов смеси и предсказания фазовых равновесий пар-жидкость и жидкость-жидкость для ректификационного и экстракционного разделения смесей. Универсальность метода ИМБАС является не только его достоинством, но и недостатком, так как невозможно найти такие энергетические параметры между структурными группами, которые бы удовлетворяли всем классам смесей.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных для гомогенных и гетерогенных областей по методу ИМБАС для трехкомпонентных спиртовых систем, включающих этанол, воду, высшие спирты (пропанол, изопропанол, изоамилол), свидетельствует о применимости метода ИМБАС в широких диапазонах концентраций компонентов в этих системах [7]. Однако для некоторых примесей, входящих в спиртовые смеси, расчет по стандартным параметрам приводит к значительным ошибкам [8]. Показано, что относительное отклонение расчетных составов паровой фазы от экспериментальных составило для спиртовых систем: эфир-вода 22,86%, эфир-спирт 10,83%, альдегид-спирт 18,91%, альдегид-вода 14,22%, а для сис-

Содержание воды в жидкой фазе, мол %

Рис. 2

тем спирт-спирт и спирт-вода фазовое равновесие предсказано с наивысшей точностью. Такой же вывод сделан и в работе [9]. Качественно неверно описывается равновесие в системах н-масляный альдегид-этило-вый спирт, уксусная кислота-вода и муравьиная кислота-вода (соответственно рис. 1-3: • - экспериментальные данные,--------расчетная кривая по уточненным

параметрам [10, 11],----расчетная кривая по парамет-

рам ИМБАС [12]. В результате анализа экспериментальных и расчетных равновесных данных по бинарным и трехкомпонентным спиртовым смесям нами выделены табличные структурные группы бинарного взаимодействия, которые приводят к значительным ошибкам. На основе обработки экспериментальных данных уточнены энергетические параметры между этими группами [10, 11]. Для систем вода-кислота не удалось подобрать параметры, адекватно описывающие кислоты, входящие в спиртовые смеси.

Моделирование с учетом параметров [10, 11] брагоректификационной установки косвенного действия, включающей бражную, эпюрационную и спиртовую колонны, когда концентрации примесных компонентов малы, показало хорошее соответствие с имеющимся опытом [9]. Однако в современных установках, включающих разгонную колонну для выделения спир-

§1

а ф а п х я

I & * * о. О 01 Ш СГ О о О. и 5

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

i

< \ у

> /

>

, >

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Содержание воды в жидкой фазе, мол %

Рис. 3

та из эфиро-альдегидной фракции и сивушную колонну для получения ценного побочного продукта - сивушного масла, спиртовые смеси содержат большие концентрации примесных компонентов, и метод ИМБАС не описывает равновесия в системах пар-жидкость и жидкость-жидкость с необходимой для технологических расчетов точностью. Хорошее описание равновесия в расслаивающихся системах дает метод ИМрИ АС, но он не способен прогнозировать равновесие, так как необходимо предварительно определить по экспериментальным данным настраиваемые параметры (для бинарной смеси - два, для трехкомпонентной - шесть и т. д.).

Для повышения точности описания фазового равновесия в спиртовых смесях нами обоснована и предложена двухзонная модель жидкости [13]. Теоретически с использованием методов статистической физики и идей группового и локального состава получены уравнения для расчета энергии Гиббса. В основу модели положено предположение, что молекула компонента обладает двумя различными по энергетической активности зонами: более сильного и слабого взаимодействия. Для расчета парожидкостного равновесия получены выражения для химических потенциалов и коэффициентов активности в жидкой фазе. Комбинаторная составляющая 1п ус°™ принята такой же, как в методе ИМОИАС.

1п у= 1п у Г + 1п у Т

1п у Г

1п У7 =

#0 І

І =1

-#

У І0 І х,,1,1

=1 #0к1

к Чі' ,1

-Чі

(І-У і )1п

# 0 І ХІ, і ,2 І= 1

(1-У І )0І х,

/ -/ п

’=1 #0 к X.

1.2

'к 1к 1,2

;

Ф .= • 0 = -ЧХ.

І 1

# Чі

І= 1

; 1,= -(Г - Чі )-(гі -1;

г = Я; д< = #п к вк; х , ,1 = 1 ъ 2 = 1,

к к

где г - координационное число решетки, принятое равным 10; I' -фактор объемности молекулы '; Ф', 0' - объемная и поверхностная доли молекулы '; г, д' - вандерваальсовы объем и площадь поверхности молекулы ', которые определяются суммированием группо -вых параметров объема Як и поверхности вк; является целым чис-

лом и определяет число групп типа к в молекуле '; Т - температура системы; Я - универсальная газовая постоянная.

Разработанная двухзонная модель переходит в модель ИМрИАС при у 21, где у- доля поверхности первой зоны '-х молекул.

Концентрация этилацетата в жидкой фазе, % мол

Рис. 4

Пример обработки бинарной смеси этилацетат-во -да по моделям двухзонной, ИМБАС и ИМрИАС приведен на рис. 4 (соответственно кривые 1, 2, 3; • - экспериментальные данные). При средних концентрациях этилацетата имеются большие расхождения теории и эксперимента по методам ИМрИАС и ИМБАС. Двухзонная модель описывает равновесие с большей точностью и качественно правильно, когда концентрации компонентов значительны. Для расслаивающейся системы на кривой равновесия наблюдается горизонтальный участок, что следует из опыта. Даже при наличии ограниченных данных двухзонная модель предсказывает это расслаивание [14]. Кроме результатов, полученных для смесей с примесными компонентами, улучшается качество описания равновесия для смеси этиловый спирт-вода. В частности, азеотропная точка в двухзонной модели совпадает с азеотропной точкой, полученной обобщением многочисленного количества экспериментальных данных В.Н. Стабниковым.

Таким образом, в системах пар-жидкость рекомендуется двухзонная модель.

Для систем жидкость-жидкость масложирового производства модель ИМрИАС дает хорошее качественное согласование [15].

Для моделирования систем твердое тело-жидкость необходимо иметь данные по равновесным составам в поровой и наружной жидкостях. Описание равновесия жидкость-жидкость, твердое тело-жидкость должно проводиться на единой основе, т. е. с помощью метода, описывающего равновесие как в расслаивающихся системах, так и в системах твердое тело-жидкость. Поэтому для жидкостей, которые способны расслаиваться, возникла задача распространения модели

ИМрИАС на адсорбированную фазу для учета неиде-альности жидкой фазы, взаимодействующей с адсорбентом. Нами обоснована и предложена поровая адсорбционная модель [16, 17] и получены уравнения для описания адсорбционного равновесия на основе метода ИМрИАС. Уравнения содержат дополнительно настраиваемые параметры, характеризующие энергию взаимодействия с адсорбентом Xді и отношение числа центров адсорбции к числу молекул в адсорби-

п

к = 1

п

к= 1

п

рованной фазе Ма/2М Последние находятся по данным адсорбционного равновесия.

ln g,. = ln g СГ ! ln gT ;

F z

ln gc;m = ln—i- !- qi ln

x. 2

Ф,

'Na '

qi !

0i zN . Xi 2 1 J

Fi q,

!

ln gT = -q,. ln

#

01X i, 1

k 0 k X k,J ! 0 a Xa,J

qi

qt ! [Na ,zN. Xa X, 2 1

!

+ q,

q

q !

n„

zN

!

! ln 1! [Na - ln 1! —

zN N Xi 2 1 zN.

Ф, = -rX-; 0, = -

q,xi

NL

zN

#0 - X-. ! 0 X - / > 1 1 ,i' a a ,i І q,! [Na| zN Xi 2 1 J

qi! [Na zN. X a ,i X, 2 1

!

1= і

h =-(r- qi )-(r-і); z = 10; r =# Rk ;

ленности, включающих нерасслаивающиеся жидкости, можно упростить задачу, отказавшись от идеи локального состава.

В итоге получены следующие условия равновесия для расчета составов поровой х и наружной хн жидкостей:

Х1н 3 12Н _ X1 3 12 3 і € .

N = N1 ! N 2 ;

Nz

Ni.

' N

(xj 312 31 € XX2 3 12 31 € ) = 3 12 X;

X = exp

U11 U12 ! u22 U12

RT

RT

X1 3 12 3 1 € = 31 € X .

l€ ;

x2 3 12 3 2 € 3 2 €

X € = exp

un — U1 € ! U22 — U

RT RT

Х1нХ2н 3 12н !03 12н 1 01 — x) 0-

Система нелинейных уравнений (7)-(12) решается численно, и по заданному составу наружной жидкости х1н находится состав поровой жидкости х 1. Энергетические параметры т и т а, а также число центров адсорбции Ма являются параметрами идентификации при обработке экспериментально полученных равновесных данных. Изложенный метод имеет меньше параметров.

Теория равновесия в системе капиллярно-пористое тело-жидкость проверена на согласование с уравнением Гиббса-Дюгема. Разработан алгоритм и программа расчета равновесных составов поровой и наружной жидкостей. Развитая теория равновесия использована для систем масличный материал-растворитель [18, 19], свекловичная стружка-водный раствор сахарозы [20], подготовленные пищевые фосфолипиды-ацетон и частично обезжиренные фосфолипиды-ацетон [21].

qi = #vk° Qk; X,1 = exp(-Dui JRT); Xa.. = 1;

X • X •

X . = exp(- Du ART); x,, =1; t • = j^±__i±_

va,i a,i / p i,i ’ a,i,1

X • X- •

a ,i i, 1

где Xі - мольная доля /-го компонента в адсорбированной жидкости.

При отсутствии адсорбента (М2 2 0, та , ] 2 0,

*/ а 2 0, 0а 2 0) уравнения (5) и (6) переходят в известные уравнения ИМрИАС.

Разработан новый подход к моделированию равновесия в системе капиллярно-пористое твердое тело-жидкость в рамках представлений адсорбционной поровой модели и методов группового состава [18]. Показано, что для многих систем пищевой промыш-

ЛИТЕРАТУРА

1. Renon N. Prausnitz J.M. Local Composition in Thermodynamic Excess Function for Liquid Mixtures // A.J.Ch.E. Journal. - 1968. - 14. - № 1. - P. 135-144.

2. Abrams D.S., Prausnitz J.M. Statistical Thermodinamics of Liquid Mixtures: A New Expression for the Excess Gibbs Energy of Partly ore Comlletely Miscible System // A.J.Ch.E. Journal. - 1975. -21.

- P. 116-128.

3. Derr E.L., Deal C.H. // J. Amer. Chem. Soc. - 1973. - 124.

- P. 11.

4. Fredenslund Aa., Jones R.L., Prausnitz J.M. Group Contribution Estimation of Activity Coefficients in Nonideal Liquid Mixtures // A.J.Ch.E. Journal. - 1975. -21. - P. 1086-1091.

5. Fredenslund Aa., Cmehling J., Rusmussm P. Vapor-Liquid equilibria using UNIFAC group contribution metod. Amsterdam ets.: Elsevier, 1977. - 380 p.

6. Fredenslund Aa., Cmehling J., Miehelsen M.L. et. al. // Ind. Eng. Chem. Proc. Dev. - 1977. - 16. - P. 450^62.

X1 -31a

x

k

0

a

n

k

k

7. Влияние содержания высших спиртов в тройных систе -мах на точность предсказания равновесия пар-жидкость методом групповых вкладов / В.Г. Буряков, В.Н. Головченко, А.Ю. Оболенский и др.; Киев. технол. ин-т пищевой пром-сти. Киев, 1984. - Деп. в УкрНИИНТИ 14.01.1985 г., № 92Ук-85 Деп.

8. Головченко В.Н., Буряков В.Г. Предсказание равновесия жидкость-пар многокомпонентных смесей методом UNIFAC // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1988. - № 5. - С. 86-88.

9. Ачмиз Б .М. Совершенствование процесса брагоректи-фикации с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КубГТУ, 2000. - 158 с.

10. Короткова Т.Г., Касаковская В.В. Определение параметров группового взаимодействия неидеальных спиртовых смесей в системе жидкость-пар метода UNIFAC // Тр. КубГТУ. Т. 5. Сер. Процессы и оборудование пищевых производств. Вып. 1. - Краснодар: КубГТУ, 1999. - С. 83-100.

11. Konstantinov Eu.N., Korotkova T.G., Achmiz B.M. Effect of multicomponent mass-transfer on the rectification calculation with allowance to heat balance // The First European Congress Chemical Engineering. Florence (Italy), May 4-7, 1997. Event 601 of EFCE.

12. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2 кн. - М.: Мир, 1989.

13. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г., Устюжанино-ва Т.А. Двухзонная модель UNIQUAC для моделирования процессов разделения эфиро-альдегидной фракции // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2004. - № 5-6. - С. 88-92.

14. Устюжанинова Т.А., Короткова Т.Г., Константи -нов Е.Н. Моделирование равновесия спиртовых смесей с использо -ванием двухзонной модели UNIQUAC // Изв. вузов. Пищевая техно -логия. - 2004. - № 5-6. - С. 126-127.

15. Короткова Т.Г. Математическое моделирование экстрагирования касторового масла из гранул клещевины: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КПИ, 1993. - 157 с.

16. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Квазихимиче-

ский метод описания адсорбционного равновесия для расслаиваю -щихся жидких смесей (основные соотношения) // Теоретические ос -новы химической технологии. - 1994. - 28. - № 3. - С. 243-250.

17. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Квазихимиче-

ский метод описания адсорбционного равновесия для расслаиваю -щихся жидких смесей (расчетные уравнения и их практическое при -менение) // Теоретические основы химической технологии. - 1994. -28. - № 4. - С. 429-432.

18. Константинов В.Е. Математическое моделирование

экстрагирования из маслосодержащего сырья и равновесия в систе -ме капиллярно-пористое тело-жидкость: Дис. ... канд. техн. наук. -Краснодар, 2002. - 115 с.

19. Цебренко К.Н. Математическое моделирование процесса циклической экстракции масла: Дис. ... канд. техн. наук. - Красно -дар, 2003. - 137 с.

20. Рыжков Д.В. Совершенствование и моделирование процесса экстрагирования сахарозы при предварительной обработке свекловичной стружки структурообразующим веществом: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 2003. - 183 с.

21. Лобанов А.А. Математическое моделирование и совершенствование процесса экстракции масла из фосфолипидного концентрата: Дис. ... канд. техн наук. - Краснодар, 2003. - 178 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 19.01.05 г.

664.72.002.2

РАСЧЕТ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ РУШКИ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ СКА ЧКООБРАЗНОГО ДВИЖЕНИЯ СЕМЯНКИ ВДОЛЬ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛОПАТКИ

В.В. ДЕРЕВЕНКО, С.Д. ЗАПОРОЖЧЕНКО,

Е.Н. КОНСТАНТИНОВ

Кубанский государственный технологический университет ООО НПП «РастСпецМасла»

Один из эффективных способов обрушивания масличных семян методом однократного удара реализован в центробежных рушках (ЦБР). В основе известной теории работы ЦБР лежат уравнения движения семянки, скользящей по лопаткам вращающегося ротора [1-6]. Эта теория с различной степенью полноты учитывает центробежную силу и силы Кориолиса, тяжести, трения о лопатку и диск, а также аэродинамическую силу сопротивления среды, обусловленную относительной скоростью частицы и воздуха. Во всех случаях считают, что сила трения, вызывающая износ плоских лопаток, непрерывно увеличивается по длине лопатки.

Однако экспериментальные данные по износу лопаток [7] противоречат общепринятой теории. Семянки совершают скачкообразное движение вдоль рабочей поверхности направляющей лопатки вращающегося роторного устройства в ЦБР типа МРЦ-5 и А1-МЦП. В точках удара лопатки по семянке возникают зоны износа [7].

Для описания движения семянки вдоль лопатки при таком характере перемещения рассмотрим схему треугольников скоростей семянки при первом ударе ее передней кромкой радиальной направляющей лопатки и при последующих ударах о ее рабочую поверхность (рис.1).

После первого удара лопаткой с начальным радиусом Я0 семянка отскакивает с результирующей скоростью движения ус, которую можно разложить на две составляющие: v0 - радиальную, равную скорости семянки, поступающей на лопатку роторного устройства; чТ - тангенциальную. Масса ротора во много раз больше массы семянки. Поэтому, учитывая, что семянка не является вполне упругим телом, можно записать

уг = К 0

где ^ - начальный радиус лопатки, м; ю - угловая скорость враще -ния роторного устройства, с"1; к_д - коэффициент удара семянки подсолнечника о стальную поверхность.

После удара за время т1 семянка пролетает путь Ц = — Я0, откуда

¿=д/