Совершенствование восьмиярусного карусельного экстрактора Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

664.644.51.002.237

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВОСЬМИЯРУСНОГО КАРУСЕЛЬНОГО ЭКСТРАКТОРА

В.Н. ЧЕРКАСОВ, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ, К.Н. ЦЕБРЕНКО, ЕЛ КОРНЕНА

Кубанский государственный технологический университет

Одним из известных путей повышения эффективности экстракторов, работающих по принципу противотока, является снижение обратного перемешивания экстрагента за счет его увлечения материалом, а также обновление слоя материала, в том числе за счет его пересыпки с вышележащего яруса на нижележащий. Эти пути реализованы в разрабатываемом карусельном многоярусном циклическом экстракторе, в котором стадии орошения, стока экстрагента и пересыпки (выдержки) материала проводятся одновременно на разных ярусах, повторяясь циклически [1]. В связи с недостаточной изученностью перечисленных стадий процесса не решен вопрос об оптимальном соотношении числа ступеней орошения стока и пересыпки.

Цель настоящей работы - совершенствование конструкции разрабатываемого аппарата на основе математической модели процесса экстрагирования масла из масличного материала, учитывающей эффект обратного перемешивания растворителя, время стока растворителя из твердой фазы в зоне отсутствия орошения, влияние времени выдержки материала на эффективность последующей ступени орошения, а также структуру потоков фаз в аппарате и данные по равновесию и кинетике в системе крупка подсолнечного жмыха-углеводородный растворитель.

Решение этих задач требует изучения динамики стока экстрагента и процессов переноса вещества в зоне орошения, следующей за стоком и пересыпкой (выдержкой) материала, а также математического моделирования многоступенчатой противоточной экстракции масла, учитывающего особенности циклической организации процесса.

Структура потоков в многоступенчатом противо-точном процессе экстрагирования показана на рисунке.

Исходный масличный материал, имеющий поро-вый объем Уп, м^ч, и концентрацию в поровом объеме 2Н, м^м3, подсолнечного масла, а также наружная мисцелла, уходящая со второй ступени в количестве (У-Кгг1). м3/ч, с содержанием масла х2, м"’/мЗ, поступают на первую ступень экстракции. У^1 - это количество

Чл V.Z, 1 Y

Y^ ■1 Yr\U! 2

^ : £ I*

Y,>4 гт —pi

V.-Л? ■

та f

j\u кЧм

з і.... ■ *... і

f8

17 •‘Ч'ї

Y,>4

растворителя, стекающего в зоне стока первой ступени. В зоне подачи материала происходит его пропитка, т. е. заполнение свободной части пор наружной мис-целлой. Часть наружной мисцеллы Улр с концентрацией хк идет на заполнение свободного объема пор, что приводит к изменению концентрации масла в поровом объеме zH на zj Оставшаяся часть мисцеллы в количестве Ук с концентрацией хх выводится из экстрактора. Покидают первую ступень поровая мисцелла объемом Уп и содержанием масла z2, унесенная материалом жидкость в количестве (У0е -Уст ) с содержанием масла X! и конечная мисцелла в количестве Ун с концентрацией X].

После экстрагирования на ступени может быть организован стокжидкой фазы из материала, поэтому количество унесенной жидкости становится меньше на величину объема стекшей в зоне стока жидкости У^. Следует отметить, что стекшая на первой ступени часть уносимой жидкости на следующей ступени восполнится за счет поступающего на нее растворителя (рисунок).

Поровая мисцелла и унесенная жидкость поступают на вторую ступень экстракции, на которую также поступает поток наружной мисцеллы с третьей ступени в количестве (V- Уст2), м3/ч, с содержанием масла х3, м V. Ул— это количество растворителя стекающего в зоне стока второй ступени. Вторую ступень покидают потоки: материал с поровым объемом Уп и с содержанием масла в нем z3, м3/м3, унесенная материалом жидкость объемом (Уоб - Уст2), с содержанием масла х2 и мисцелла в количестве (У- УСТг) с концентрацией х2.

Аналогично второй ступени рассматриваются все остальные ступени экстракции, кроме последней.

Исходный экстрагент в количестве У с содержанием масла xN + i поступает на последнюю ступень экстракции. Сюда же поступают потоки, выходящие с предыдущей ступени: поровая мисцелла объемом Уп с содержанием масла в нем zN, и унесенная материалом жидкость в количестве (У0б - VCTN' *) с содержанием масла хм_1. Последнюю ступень покидают: с материалом поровая жидкость объемом Уп с содержанием масла в ней zx+1 и наружная жидкость в количестве (Уы - V0f'!) с концентрацией xN. Жидкость, уносимая материалом с последней ступени У.& возвращается в поток наружной жидкости, который покидает последнюю ступень экстрактора.

Принято, что меящу поровой и наружной жидкостями в процессе экстрагирования происходит экви-объемный массообмен.

Так как схема движения потоков сложна, а расход циркулирующего на ступени орошения растворителя значительна превышает расход экстрагента, при рас-

г

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 4, 2004

87

'■>

3L

\Zr

~i\-

Т.ч

•її

\>

|н

ІММ

Ci'il

р-

■>

Н;1

с»- ■ ^.Н U0-;пг

ILL-■Ж-Т11-! j'v.

ОТ!

1К\Т Ш-Н"-f. ■ н

■і

і-:?

=ui-

,1Л“ 10 с

JJM

if?-'

IJIi'l-

,r;lL-

ц

Ш-і

в

r.j

IK'>i ■ СЛІ1-

аид

.ЇТ:Т

чете движущей силы массопередачи принято допущение, что на каждой ступени экстрактора имеет место полное перемешивание по жидкости и идеальное вытеснение по материалу.

На первой ступени идет пропитка материала. При допущении, что пропитка происходит быстрее, чем массообмен, уравнение пропитки имеет следующий вид:

Mi

не

(1)

Материальный баланс всего аппарата по маслу с учетом пропитки

Vnzі +VxK =Vnzw +Vx, .

(2)

(5)

Количество вещества, перенесенного из поровой жидкости в наружную, определяется основным уравнением массопередачи

М =KF„Azr

(6)

Значение коэффициента массопередачи определено по экспериментальным данным кинетики экстрагирования. Принято, что на ступенях экстракции, расположенных за зонами стока и выдержки, величина коэффициента К увеличивается в . на первой ступени он определен по экспериментальной кинетической зависимости, а на остальных имеет место регулярный режим массо опере дачи.

Зависимость величины у от времени стока и выдержки при переходе материала от зон стока растворителя и выдержки материала к зоне экстракции масла найдена и экспериментально проверена на основе ре-

шения задачи нестационарной диффузии [2]. Эта величина используется в модели экстрактора.

Для определения количества стекшей жидкости УС7\ на основе экспериментальных данных и теории пленочного течения жидкости получена зависимость количества удаляемой из слоя жидкости от заданного времени стока ст [2]

V =

(7)

Запишем материальный баланс по ступеням. Для первой ступени

уа21 + )х2 = Упг2 +УнХ1 +(Уо6 -VI )х1. (3)

Аналогично запишем уравнение баланса и для ;-й ступени

-^у+у0( -УЛ >,ч I ■ т;:

...=Гпгм +(У+У,$ -У$х, + (УвВ ~иЩ (4)

где Уа‘ - количество стекшей жидкости на рассчитываемой ступени.

Так как на последней ступени уносимая жидкость возвращается в поток наружной жидкости, покидающей последнюю ступень, имеем

На основе представленной системы уравнений составлен алгоритм расчета аппарата. По нему в среде МаШЬаЬ разработана программа, представляющая собой математическую модель экстракции. Модель проверена по экспериментальным данным обследования ленточного экстрактора11 Де смет". Установлено, что в экстракторе имеет место обратное перемешивание. Причем количество унесенной жидкости пропорционально расходу материала:

Ks =kVn.

(7)

Экспериментально найденная величина обратного тока оказалась равна = 1,03 Уп.

На разработанной математической модели проти-воточной экстракции проведен численный эксперимент. Найдено оптимальное количество ступеней на ярусе многоярусного карусельного экстрактора при общем числе пересылок материала, равном 7.

Число ступеней орошения на ярусе

6

3

2

1

Поровая концентрация масла в шроте, м3/м3

0,0182

0,0192

0,0199

0.0216

Очевидно, что чем большее количество ступеней орошения будет в экстракторе, тем большее количество масла будет извлечено. Однако большое количество ступеней орошения требует установки большого количества циркуляционных насосов. Следовательно, увеличиваются величина капительных вложений и энергозатраты.

Таблица

Число ступеней орошения Уменьшение приведенного дохода, р. Снижение капитальных затрат, р. Снижение энергозатрат, р. Экономический эффект, р.

6 0 0 0 -

3 773 550 1 680 000 300 000 I 206 450

2 1 372 950 2 240 000 400 000 1 267 050

2 835 000

2 800 000

500 000

Поэтому рассчитаны снижение затрат на установку циркуляционных насосов, при окупаемости 12 мес, и уменьшение приведенного дохода из-за уменьшения эффективности извлечения масла (таблица).

В результате наибольший экономический эффект достигается при организации 2 ступеней орошения на ярусе в разрабатываемом экстракторе.

Для организации пересыпки материала с яруса на ярус проведен расчет размера выгрузочной щели.

Объемный расход крупки

т г О з

V = — м /с.

Рн

Скорость истечения материала

№

= 2Д5^0

1-з,;

<{ ■

ла

4

Выражение в скобке при диаметре отверстия 131 мм равно 0,927. Найдем ширину щели:

'чл-2,15-0,9;

= 0,131,

По скорости рассчитан объемный расход материа-

по найденному диаметру рассчитанная ширина разгрузочной щели в экстракторе 20 мм.

По разработанной модели экстрактора рассчитан его объем - 86 м3. Диаметр ротора экстрактора составил 5 м.

Таким образом, проведен расчет карусельного экстрактора и установлено, что следует расположить две ступени орошения на каждом ярусе. В нижнем ярусе экстрактора организована промывка материала чистым растворителем и удаление экстрагента из материала перед его выгрузкой из экстрактора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полож. решение по заявке № 2002110065-13(010568). Устройство для экстракции масла растворителем из маслосодержащего материала/А. А. Петрик, Е.П. Корнена, Е.О. Герасименко и др.

2. Цебренко К.Н. Математическое моделирование цикли-чес ко го процесса экстракции масла: Автореф, дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 2003. - 24 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 16.10.03 г.