Математическая модель процесса экстракции в ленточном экстракторе Краун Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.061.4: 655.3.03

С. А. Александровский

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ В ЛЕНТОЧНОМ ЭКСТРАКТОРЕ КРАУН

Ключевые слова: экстракция растительных масел, экстрактор системы Краун.

Для описания процесса предложена модель, в которой процесс на ступенях ниже точки отбора мисцеллы описывается как противоточный, а на ступенях от пропитки жмыха до отбора мисцеллы как противоточный. Представлены балансовые уравнения по ступеням и по выходным концентрациям определены значения коэффициентов извлечения для противоточных и прямоточных ступеней.

Keywords: extraction of vegetable oil, extractor system Crown.

To describe the proposed model of a process, in which the process below the point of selection of miscella is described as the countercurrent process, and above point of selection of miscella as a direct-flow. The balance equations are presented in stages, in values of extraction coefficients for the countercurrent stages and direct-flowing stages, identified from final concentrations.

Экстрактор системы Краун представляет собой противоточный оросительный ленточный экстрактор непрерывного действия, схема которого представлена на рис.1.

Рис. 1 - Схема экстрактора Краун III (серии 2203)

Загрузка масличного лепестка (жмыха) осуществляется в верхней части экстрактора, выход шрота - в нижней. Материал высотой слоя 0,72 м непрерывно продвигается по петле с помощью цепного транспортера и по ходу движения орошается растворителем. Свежий растворитель подается на отработанный материал. Аппарат пространственно разделен на несколько ступеней, в каждой из которых производится сбор мисцеллы и возврат ее насосом на орошение. Экстракт (мисцелла) перетекает со ступени на ступень самотеком в обратном движению материала направлении, а подъем ее с нижней части аппарата на верхнюю осуществляется насосом.

ЗбЗ

Особенностью конструкции данного аппарата является наличие ступени пропитки материала, на которую подается мисцелла с промежуточной т-ой (третьей) ступени. Конечная мисцелла с самой высокой концентрацией масла отбирается с (т-1)-ой ступени. Данная схема течения экстрагента (комбинация противотока в целом и прямотока на первых двух ступенях) обусловлена необходимостью более быстрого смачивания материала и работы первых ступеней в режиме прямотока, который обеспечивает большую движущую силу процесса.

Общая схема многоступенчатого процесса экстракции в аппарате системы Краун представлена на рис.2.

Растворитель, затрачиваемый на пропитку выносится из аппарата вместе со шротом и после отгонки возвращается в процесс. Чтобы не усложнять описание, полагаем равенство количества жидкой фазы на пропитку и количества выносимой жидкости из аппарата вместе со шротом, хотя в работе [1] они оцениваются как разные по величине.

Величина объема пор V может быть определена экспериментально. В работе [2] объем свободных пор жмыха в начальный момент после выхода жмыха с пресса определен в статическом состоянии в среднем величиной 0,61 л/кг с размахом до 15%. Но это завышенная величина, и при укладке жмыха через бункер на ленту объем макропор материала становится меньше.

Оценка объема пор по количеству поступающего со жмыхом масла и количеству уносимого со шротом растворителя (по данным реального производства на Казанском маслоэкстракционном заводе) дает практически одинаковую объемную величину порядка 0,3 л/кг. Но это нижняя величина, получаемая на выходе после стока части жидкости из макропор. На стадии пропитки, этот растворитель находится в свободных макропорах.

В дальнейшем происходит растворение и экстракция масла и уменьшение количества удерживаемой в порах жидкости (в первую очередь в макропорах) в силу изменения ее свойств (уменьшения вязкости) [3]. Говорить об изменении объема пор в ходе процесса будет неправомерно, поскольку визуально заметного изменения высоты слоя на транспортерной ленте не происходит. Можно говорить о повышении скорости фильтрации в слое в направлении от 1 к 8 ступени за счет уменьшения вязкости орошающей мисцеллы и некотором уменьшении удерживающей способности слоя по жидкости.

Таким образом, процесс экстрагирования на ступенях 1-2 и 3-8 идет при разных массовых соотношениях жидкой фазы в порах (V) и вне твердой фазы (М): рэ-е= V/(W+V) и р1-2= ММ.

В работе [1] приведена мат модель для процесса с пропиткой, взятой с произвольной промежуточной т-ой ступени. Однако авторы предлагаемой модели полагают участок ступеней 0-т противоточным. Это позволяет получить общее уравнение для расчета, но такая модель не соответствует рассматриваемому аппарату.

Для многоступенчатого противоточного неравновесного процесса на участке ступеней 3-8 можно использовать полученное в [4] уравнение для определения концентраций твердой фазы в противоточном процессе.

NN = (1 -Р)(1 - КГ

N0 (1 -ркг -р(1 - К)"

где N - число неравновесных ступеней в противоточном процессе;

Б, = -9'-1—С- - коэффициент извлечения на 1-ой ступени неравновесного

С' -1 - С'+1

противоточного процесса экстракции

^, N', N'+1 - соответственно концентрации экстрагируемых веществ в порах твердой фазы при входе на ступень, на выходе из нее и в жидкой фазе, приходящей на ступень.

Соответственно, концентрации в порах на ступенях 3-8 определяются выражением

N (1 -р)(1 - кГ(М-1)

0М-1 (1 - рК)ы-(М-1) - Р(1 - К)ы-(М-1) ’

где М - номер ступени отбора мисцеллы на пропитку [1].

Величина ММ-1 в данном случае есть М2 - конечная концентрация в порах твердой фазы после 2-ой ступени.

Концентрация масла в мисцелле на ступенях определяется из балансовых уравнений (удобно считать от последней ступени, где известны значения выходной концентрации масла в шроте и в свежем растворителе Сн=0):

йі =р(0-1 - С,)+оі+1

Мі -1 = (Сі - КСі+1 )/(1 - К).

Концентрация масла в мисцелле, уходящей с 3 ступени на пропитку

N3 = Р(02 - С3 ) + 04 .

Уравнение материального баланса на стадии пропитки имеет вид

М0У = 0з V + 0мМ6д, 3

где Со - концентрация масла в поровом объеме после пропитки, кг/м ;

Сз - концентрация масла в мисцелле, подаваемой на орошение, кг/м3;

См - массовая концентрация масла в поступающем жмыхе, кг/кг;

Мтв - масса поступающего жмыха;

V - общий объем пор в поступающем материале;

Концентрация масла в порах после пропитки

0мМа,

Мо = 03 +'

7М ОА

V

Движение фаз на 1 и 2 ступени может рассматриваться как прямоточное. Выражения, определяющие концентрации в порах на выходе из первых двух ступеней [5]:

N1 = С3 + (С0 - N3) • (1 - Б) N2 = С3 + (С0 - N3) • [(1 - к0 )2 + Р0К2]

Концентрации мисцеллы на выходе со ступеней 1и 2:

^ = С3 + (С0 - N3 ) Р0Б0

N 2 = С 3 + (С0 - N 3 ) •Р 0 • [1 - (1 - К 0 )2 -Р 0К 2 ]

где Ko - коэффициент извлечения на ступени неравновесного прямоточного процесса экстракции;

Po - коэффициент соотношения масс на двух первых ступенях (Po = Pi-2 = V/W).

Идентификация параметров модели проводилась по данным реального производственного процесса на Казанском МЭЗ.

Массовая концентрация масла в жмыхе составляла 0,26; потери масла в шроте - 0,61%, массовая концентрация мисцеллы на выходе - 0,20. Выходная концентрация масла в объеме пор шрота - 0,03 кг/м3; объемная концентрация масла в конечной мисцелле - 0,175 кг/м3. Значения массовых коэффициентов: P3-8 = 0,17, P1-2 = 0,2.

Получены следующие значение коэффициента извлечения на ступенях для противоточных ступеней 3-8 К=0,34, для ступеней 1-2 Ko=0,52.

Литература

1. Василенко, В.В. Математическая модель многоступенчатого противоточного процесса экстракции с отбором мисцеллы для пропитки с промежуточной ступени / В.В.Василенко, Е.П.Кошевой, В.С.Косачев // Изв.вузов. Пищевая технология. - 2007. - №2. - С. 64-66.

2. Василенко, В.В. Математическое моделирование и совершенствование экстракционной переработки масличного материала с повышенной температурой: - дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12: защищена 14.11.06 / Василенко Валерий Васильевич - Краснодар, 2006. - 126 с.

3. Иванов, Б. Н. К вопросу о характеристиках ассоциативности сложных жидкофазных органических систем и их математическом отображении. Часть 1 / Б.Н.Иванов, Р.Н.Костромин, А.В.Дацков // Вестник Казан.о технол. ун-та - 2006. - №1. - С.217-222.

4. Кошевой, Е.П. Моделирование и расчет экстракторов с твердой фазой / Е.П. Кошевой, Д.Г. Кварацхелия. - Зугдиди: АН Грузии РНЦ «Самегрело», 2001. - 100 с.

5. Аксельруд, Г.А. Экстрагирование (система твердое тело - жидкость) / Г.А. Аксельруд, В.М. Лысянский. - Л.: Химия, 1974. - 256 с.

© С. А. Александровский - доц. каф. промышленной биотехнологии КГТУ,

[email protected].

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 13.03.11 по 26.04.11.

Збб