Интенсификация процесса получения комбинированных продуктов в роторно-пульсационном аппарате тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Ядута, Анна Зауровна

• Ядута, Анна Зауровна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ядута, Анна Зауровна

Введение и постановка задач исследований.

Глава 1. Основы процесса гомогенизации и его аппаратной реализации.

1.1 Общие представления о процессе гомогенизации.

1.2 Основные направления математического моделирования процесса гомогенизации.

1.3 Гомогенизаторы, используемые в пищевой промышленности.

1.3.1 Гомогенизаторы клапанного типа.

1.3.2 Ультразвуковые колебания.

1.3.3 Центробежный гомогенизатор.

1.3.4 Гомогенизаторы-смесители.

1.3.5 Роторно-пульсационные аппараты.

1.4 Интенсификация процесса гомогенизации в РПА.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Теоретическое исследование процесса гомогенизации в роторно-пульсационных аппаратах.

2.1 Пропускная модуляция в роторно-пульсационных аппаратах.

2.2Исследование кинетики гомогенизации в РПА на основе уравнения Колмогорова-Фоккера-Планка.

2.3 Энтропия как мера неопределенности фракционного состава.

2.4Энтропийный критерий качества эмульсий.

2.5 Стохастический подход к моделированию процесса гомогенизации в РПА.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Аппаратурное и методическое обеспечение экспериментальных исследований.

3.1 Описание экспериментально-исследовательского стенда.

3.2 Описание исследуемой конструкции РПА для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования.

3.3 Методика обработки данных гидродинамического эксперимента для определения напорных и энергетических характеристик РПА.

3.4 Методика анализа дисперсионного состава готовой смеси на основе компьютерного анализа микрофотографий.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями.

4.1 Сопоставление теоретических результатов стохастического моделирования с экспериментальными данными.

4.2 Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик роторно-пульсационного аппарата.

4.2.1 Результаты исследования энергопотребления аппаратов при обработке ньютоновских жидкостей.

4.3 Результаты исследования напорно-расходной характеристики роторно-пульсационного аппарата.

4.4 Разработка технологических аспектов аппаратурного оформления стадий гомогенизации и диспергирования при получении кисломолочных десертов с ягодными наполнителями.

4.5 Методика расчета роторно-пульсационного аппарата.

4.6 Пример расчета параметров роторно-пульсационного аппарата на заданную производительность.

Выводы по главе 4.

Основные результаты работы и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процесса получения комбинированных продуктов в роторно-пульсационном аппарате»

Актуальность работы. Одним из главных направлений развития пищевой промышленности является повышение качества пищевых продуктов и соответствие их медико-биологическим требованиям. В связи с этим, научные исследования должны быть направлены на создание и модернизацию энергетически выгодных технологий, обеспечивающих безотходную переработку сырья, и производство экологически безопасных продуктов питания.

Среди существующих способов получения гомогенных систем (суспензий, эмульсий) наиболее предпочтительным, в современных условиях, является непрерывный поточный способ, который реализуется в роторно-пульсационных аппаратах (РПА). Гомогенизаторы такого типа в качестве составного звена входят в непрерывные поточные технологические линии, которые обладают достаточно большой производительностью и могут быть полностью автоматизированы. Обзор существующих конструкций гомогенизаторов позволяет сказать, что каждый из довольно широкой гаммы аппарат не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к устройствам такого рода. Но при всех прочих равных условиях использование пульсационных аппаратов роторного типа рассматривается наиболее предпочтительным. Данные аппараты, имеющие высокую производительность при малых габаритах и энергоемкости, позволяют получать жидкие смеси хорошего качества при достаточно малой флуктуации входных потоков. Возможность усовершенствования имеющихся конструкций открывает широкие перспективы для повышения эффективности. Совершенствование технологий требует интенсификации процесса гомогенизации, которая приводит к уменьшению проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

Для производства жидких комбинированных продуктов питания используют роторно-пульсационные аппараты, в которых совмещены процессы гомогенизации и диспергирования. Гомогенизаторы, используемые на большинстве пищевых предприятиях морально физически устарели, металло - и энергоемки и во многих случаях не способны обеспечить заданное качество продуктов. Поэтому, для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования, необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволяли бы увеличить турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. В роторно-пульсационных аппаратах интенсивность процессов диспергирования и гомогенизации достигается за счет создания звуковых (акустических) колебаний, гидромеханических процессов, кавитационных явлений. Большой вклад в развитие теории и практики гидромеханического перемешивания внесли: В.И.Биглер, М.А.Барам, Л.Г.Базадзе, Г.Ю.Будко, А.И.Зимин, В.Ф.Юдаев и многие другие. Однако, вопросы математического описания гидродинамики вихревых потоков в рабочих зонах РПА изучены недостаточно.

Анализ приведенной классификации математических моделей показывает, что на сегодня нет какой-либо универсальной модели, достоверно описывающей процесс гомогенизации в любом из существующих видов гомогенизаторов. Все рассмотренные модели имеют ряд преимуществ и недостатков. Однако наиболее перспективными можно считать вероятностные или стохастические модели, использование которых требует знания кинетики движения обрабатываемых материалов в конкретном исследуемом аппарате.

Поэтому, исследование эффективности применения РПА в производстве жидких комбинированных продуктов с целью интенсификации и диспергирования процессов является актуальной задачей для пищевой и других отраслей промышленности.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования в новой конструкции роторно-пульсационного аппарата при получении жидких комбинированных продуктов на основе анализа результатов стохастического моделирования и экспериментальных исследований.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:

• - математическое описание гидродинамики потоков в рабочих зонах роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода;

• - создание новой конструкции РПА;

• - исследование напорных и энергетических характеристик новой конструкции при различных режимах работы и конструктивных параметрах;

• - проверка математической модели на адекватность.

Научная новизна. - Разработана математическая модель роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода, позволяющая определить энтропию исследуемой среды и оценить качество продукта по степени идеальности;

- получены напорные и энергетические характеристики аппарата при различных режимах его работы и конструктивных параметрах; доказана адекватность математической модели на основе сопоставления степени дисперсности, рассчитанной по экспериментальным данным, и теоретической степени идеальности.

Практическая значимость. По результатам теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и диспергирования жидких продуктов разработана новая конструкция РПА, техническая новизна которого защищена патентом РФ №2309791.

Предложена рецептура производства кисломолочного десерта, получаемого на разработанной установке.

Автор защищает; - новую конструкцию роторно-пульсационного аппарата для проведения процессов гомогенизации и диспергирования жидких систем; математическое описание гидродинамики процессов гомогенизации и диспергирования на основе стохастического подхода, позволяющую оценить качество продуктов с помощью энтропии и степени идеальности, с учетом конструктивных и технологических параметров; результаты исследований напорных и энергетических характеристик аппарата.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Ядута, Анна Зауровна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода, оценивающая степень идеальности процесса гомогенизации с учетом конструктивных и технологических параметров. Теоретические результаты стохастического моделирования на основе энтропийного подхода подтверждены экспериментально путем сравнения теоретической степени идеальности и степени диспергирования, полученной на основе обработки экспериментальных данных

2. Разработана новая конструкция роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями, техническая новизна которого защищена патентом РФ № 2309791. Предложена методика конструктивного расчета роторно-пульсационного аппарата

3. Проведена оценка энергопотребления РПА с помощью экспериментальных зависимостей критерия мощности от числа Рейнольдса при различных величинах межцилиндрового зазора в ламинарном и турбулентном режимах. При сравнении опытных и расчетных характеристик погрешность не превышает 15%.

4. Получены напорно-расходные характеристики РПА в виде экспериментальных зависимостей критерия Эйлера от параметра закрутки, характеризующим влияние циркуляционного потока на НРХ аппарата, при различных величинах зазора. Сравнение опытных и теоретических данных показало, что средневквадратическое отклонение не превышает 15-20%.

5. Показана целесообразность использования аппарата для получения жидких продуктов продуктов питания с добавками ягодных компонентов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ядута, Анна Зауровна, 2009 год

1. Александровский, А. А. Исследование процесса смешения и разработка аппаратуры для приготовления композиций, содержащих твердую фазу: автореф. дис. д-ра техн. наук. - Казань, 1977.-48с.

2. А. с. 280441 СССР. Ротационный аппарат для взаимодействия жидкости с жидкостью, газом или порошкообразным телом/ О. А. Кремнев и др. Опубл., Бюл. № 28.

3. А. с. 230090 СССР. Ротационный аппарат для взаимодействия жидкости с жидкостью, газом или порошкообразным телом/ М. А. Балабудкин и др. Опубл., Бюл. № 34.

4. Ахмадиев, Ф. Г. Моделирование кинетики процессов смешения композиций, содержащих твердую фазу/ Ф. Г. Ахмадиев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология.- 1984.- Т. 27.- № 9.-С.1087-108.

5. А. с. 286974 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ М. А. Балабудкин и др. Опубл., Бюл. № 35.

6. А. с. 288887 СССР. Ротационный аппарат/ А. А. Барам, А. Балабудкин. Опубл., Бюл.№. 35.

7. А. с. 462602 СССР. Ротационный аппарат/ А. А. Барам. Опубл., Бюл. №. 39

8. А. с. 488504 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ М.А. Балабудкин и др. Опубл., Бюл. № 39.

9. А. с. 488604 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ М. А. Балабудкин и др. -Опубл., Бюл. № 9.

10. А. с. 511093 СССР, B01F 5/12.

11. А. с. 554846 СССР, А011 11/16.

12. А. с. 576998 СССР, АО 11 11/16.

13. А. с. 581911 СССР, А011 11/16

14. А. с 599773 СССР, А011 11/16.

15. А. с. 631188 СССР Центробежный РПА /В.Н. Иванец, В. А.

16. Плотников, С. И. Лазарев. Опубл., Бюл. № 41.

17. А. с. 644518 СССР. Центробежный смеситель непрерывного действия/ И. И. Багринцев. Опубл., Бюл. № 3.

18. А. с. 646957 СССР, А011 11/16.

19. А. с. 675638 СССР, АО 11 11/16.

20. А. с. 725691 СССР. Роторно-пульсационный аппарат.

21. А. с 965493 СССР. Роторно-импульсный аппарат/ В. Р. Боровский и др. -Опубл., Бюл. № 38.

22. А. с. 940825 СССР. Центробежный РПА /В. Н. Иванец и др. Опубл., Бюл. № 25.

23. А. с. 988322 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ В. Р. Боровский и др.-Опубл., Бюл. № 2.

24. Аксельрод, Ю. В. Газожидкостные хемосорбционные процессы. Кинетика и моделирование/ Ю. В. Аксельрод.- М.: Химия, 1989.-240с.

25. Александровский, А. А. Исследование процесса смешивания и разработка аппаратуры для приготовления композиций, содержащих твердую фазу: автореф. дис. д-ра техн. наук. Казань, 1976. - 8с.

26. Альбрехт, С. Н. Разработка многоцелевого газожидкостного аппарата для интенсификации стадии перемешивания в производствах молочных комбинированных продуктов: дис. канд. техн. наук: защищена 15.04.99 / Альбрехт С. Н. Кемерово, 1999.- 172с.

27. Альбрехт, С. Н. Сравнение разных типов аппаратов для процессов, протекающих в системе газ-жидкость / С. Н. Альбрехт // Сб. тез. докл. научн.-практ. конф. "Интеграция науки, производства и образования: состояние и перспективы". Юрга , 1999. - С.23-25.

28. Артемасов, В. В. Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования при получении жидких комбинированных продуктов: дис. канд. техн. наук: защищена 20.05.04 / Артемасов В. В. Кемерово, 2004.-227с.

29. Артемасов, В. В. Описание конструкции и принципа работы роторно-пульсационного аппарата/ В. В. Артемасов, М. М. Афанасьева // Биотехнология и процессы пищевых производств: сб. науч. тр. — Кемерово, 2000.-С.96.

30. Влияние обработки в роторно-пульсационном аппарате на физиологические и биохимические показатели пивных дрожжей/ В. В. Артемасов, Е. А. Сафонова, Г. Е. Иванец, В. А. Плотников //Пища. Экология. Человек. -М., 2001.- С. 26.

31. Арутюнов, С. Ю. Моделирование и оптимизация процесса измельчения зернистых материалов: автореф. дис. канд. техн. наук. М, 1982. - 24с.

32. Ахмадиев, Ф. Г. Моделирование и реализация способов приготовления смесей/ Ф. Г. Ахмадиев, А. А. Александровский // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. 1988.- Т.ЗЗ.- №4. С.448-453.

33. Бай, Ши-И. Турбулентное течение жидкостей и газов: пер. с англ. / Ш.-И. Бай; под ред. К.Д. Воскресенского.- М.: ИЛ, 1962.- 344 с.

34. Баканов, М. В. Разработка и исследование непрерывнодействующего агрегата вибрационного типа для получения комбинированных продуктов питания : дис. канд. техн. наук: защищена 10.05.01/ Баканов М.В.- Кемерово, 2001.-224с.

35. Балабудкин, М. А. О закономерностях гидромеханических явлений в

36. РПА/ М. А. Балабудкин // ТОХТ.- 1968.- №4.- С. 2.

37. Балабудкин, М. А. О закономерностях гидромеханических явлений в РПА/ М. А. Балабудкин, А. А.Барам // ТОХТ,-1968.- № 4.- С. 2.

38. Балабудкин, М. А./ М. А. Балабудкин, А. А. Барам // Изв. ВУЗов СССР. Химия и хим. технология.-1970.-№ 11.-С.13; №11, 1970.-№ ц. С.15; 1972.-№6.

39. А.с. 230090 СССР 230090./ М. А. Балабудкин, А. А. Барам, А. А. Бершицкий. Опубл., Бюл. №34.

40. Балабудкин, М. А. О закономерностях гидромеханических явлений в роторно-пульсационных аппаратах/ М. А. Балабудкин // ТОХТ.- 1975.-№ 5.- С. 783-788.

41. Балабудкин, М. А. РПА в химико-фармацевтической промышленности/ М. А. Балабудкин. М.: Медицина, 1983.-287с.

42. Балабышко, А. М. Гидромеханическое диспергирование/ А. М. Балабышко, А. И. Зимин, В. П. Ружицкий. М.: Наука, 1998.- 331с.

43. Балакирев, В. С. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления/ В. С. Балакирев, Е. Г. Дудников, А. М. Цирлин.- М.: Энергия, 1967.-720 с.

44. Балябина, Т. А. Исследование и разработка технологии эмульгированных продуктов на молочно-соевой основе: автореф. дис. канд. техн. наук.-Кемерово, 1998.- 16 с.

45. Барабаш, В. М. О размере пузырей при перемешивании газожидкостных систем/ В. М. Барабаш // II Всесоюзная конференция "Теория и практика перемешивания в жидких средах".- Черкассы, 1973.- С.15.

46. Барам, А. А. Диспергирование в системе жидкость-жидкость в аппарате роторно-пульсационного типа/ А. А. Барам // ТОХТ.- 1988.- Т. 22. № 5.-С. 655-660.

47. Барам, А. А. Гидродинамические закономерности аппаратов роторнопульсационного типа/ А. А. Барам, О. А. Лошакова // ТОХТ.- 1978.-Т.12.- № 2.- С. 231-240.48. / А. А. Барам и др.// Хим. и нефт. машиностроение.- 1978.- №4.- С.5-6.

48. Баранцева, Е. А. Исследование процессов непрерывного смешения сыпучих материалов и разработка метода их расчета на основе теории цепей Маркова: дис. канд. техн. наук / Баранцева Е. А.-Иваново: ИГЭУ, 2003.-108 с.

49. Бай, Ши И. Турбулентное течение жидкостей и газов: пер. с англ. / Ш.-И. Бай; под ред. К.Д. Воскресенского. М., 1962.-344 с.

50. Батунер, Л. М. Математические методы в химической технологии/ Л. М. Батунер, М. Е. Позин. Л.: Химия, 1979. - 248с.

51. Эффективные малообъемные смесители/ В. В. Богданов и др.- Л.: Химия, 1989.-305с.

52. Бриллиндждер, Д. Временные ряды/ Д. Бриллиндждер. М.: Мир, 1980.-536с.

53. Брагинский, Л. Н. Перемешивание в жидких средах: физические основы и инженерные методы расчета/ Л. Н. Брагинский, В. И. Бегачев, В. М. Барабаш.- Л.: Химия, 1984.- 637с.

54. Васютович, Е. В. Разработка и исследование технологии производства кисломолочных напитков с бета-каротином: автореф. дис. канд. техн. наук.- Кемерово, 1998.-16 с.

55. Обработка пивных дрожжей в роторно-пульсационном аппарате и выбор оптимальных параметров для их активации/ В. В. Артемасов, Е. А. Сафонова, В. А. Плотников, С. Г. Козлов.-М.,2001.-14с. // Деп. в ВИНИТИ 29.12.01, №2709 В2001.

56. Видинеев, Ю. Д. Дозаторы непрерывного действия / Ю. Д. Видинеев. -М.: Энергия, 1981.- 273 с.

57. Видинеев, Ю. Д. Современные методы оценки качества непрерывного дозирования / Ю. Д. Видинеев // Журн. ВХО им. Менделеева.- 1988.59.