авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка и исследование мембранного аппарата с постоянным отводом диффузионного слоя для концентрирования обезжиренного молока

На правах рукописи

ПАШКЕВИЧ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕМБРАННОГО АППАРАТА С ПОСТОЯННЫМ ОТВОДОМ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОКА 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2012 2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Лобасенко Борис Анатольевич

Официальные оппоненты: Иванец Галина Евгеньевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Прикладная математика и информатика» Петрик Павел Трофимович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Процессы, машины и аппараты химических производств»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции (ГНУ СибНИИП) Россельхозакадемии г. Новосибирск

Защита состоится «02» июля 2012 года в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «22» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Голуб О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Молоко и молочные продукты играют большую роль в питании людей. Включение молочных продуктов в любой пищевой ра цион повышает его полноценность, способствует лучшему усвоению других компонентов. Поэтому качественная переработка молочного сырья весьма ак туальна.

Мембранная обработка молочного сырья – современный метод, при кото ром происходит разделение или концентрирование растворов с использованием полупроницаемых мембран, осуществляемое на молекулярном уровне под дав лением, без фазовых превращений и обычно при температуре окружающей среды. Молочный белок в процессе концентрирования продукта не претерпева ет изменений и сохраняет натуральную форму и, соответственно, полезные свойства, что нельзя сказать о продуктах, полученных стандартными методами.

Кроме того, применяемая в мембранных методах аппаратура проще, компакт нее и дешевле. Мембранные методы в ряде случаев оказываются не только бо лее экономичными и менее энергоемкими по сравнению с другими методами, но часто позволяют полнее использовать сырье и энергию, производят мало от ходов.

Применение мембранных методов для переработки молочного сырья от крывает широкие возможности получения ценных компонентов в натуральном виде, производстве новых видов продуктов с заданным химическим составом и высокой биологической ценностью. На современном этапе развития мембран ных технологий, перспективными являются аппараты, использующие явление концентрационной поляризации, т.е. отвод части диффузионного слоя с повы шенным содержанием задерживаемых веществ. Это позволяет интенсифициро вать процесс мембранного фильтрования и увеличить производительность ап паратов. Различают несколько типов аппаратов. В некоторых из них возможно осуществление очистки мембраны. Однако, самыми простыми в плане техниче ского изготовления являются аппараты, осуществляющие только отвод диффу зионного слоя. Кроме того, они имеют невысокую стоимость.

В этой связи актуальной задачей является разработка простого, эконо мичного оборудования с высокой производительностью.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в разработке и ис следовании мембранного аппарата, позволяющего интенсифицировать процесс концентрирования обезжиренного молока.

Для реализации поставленной цели определены следующие задачи:

- разработка математической модели процесса мембранного концентри рования на основе теории передаточных функций;

- разработка конструкции мембранного аппарата с постоянным отводом диффузионного слоя;

- экспериментальное исследование новой конструкции мембранного ап парата с постоянным отводом диффузионного слоя;

- определение влияния технологических и конструктивных параметров на концентрацию сухих веществ в отводимом слое;

- исследование внутренней структуры отложений на мембране методом растровой электронной микроскопии.

Научная новизна. На основе теории передаточных функций разработана математическая модель процесса мембранного концентрирования обезжирен ного молока, позволяющая определять концентрацию сухих веществ на выходе мембранного аппарата в произвольный момент времени.

Получено уравнение регрессии процесса мембранного концентрирования для обезжиренного молока, учитывающее влияние конструктивных параметров аппарата на массовое содержание сухих веществ в отводимом диффузионном слое. Определены рациональные значения конструктивных параметров, обес печивающие максимально возможное содержание растворенных веществ в продукте.



Изучена структура отложений на мембране с помощью электронного микроскопа, установлено, что она неоднородна и состоит из двух слоев.

Практическая значимость и реализация. Разработана конструкция мембранного аппарата с постоянным отводом диффузионного слоя, новизна ко торого защищена патентом РФ.

Проведены заводские испытания опытно-промышленной установки на основе разработанного мембранного аппарата на ООО МПО «Скоморошка», которые показали её эффективность.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО Кем ТИПП в дипломном и курсовом проектировании.

Автор защищает новую конструкцию мембранного аппарата с отводом диффузионного слоя;

математическую модель процесса мембранного концен трирования;

результаты экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2006-2010 г.);

Регио нальной научно-практической конференции «Непрерывное профессиональное образование и карьера – ХХI в», г. Юрга, 2007;

II Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Пищевые продукты и здоровье человека», Кемерово 2009;

международной конференции с элементами научной школы для молоде жи «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах», Кемерово, 2010.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 1 статья, рекомендованная ВАК РФ, 1 депонированная рукопись, патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 104 страницах машинописного текста. Работа включает 53 рисунка, 11 таб лиц. Список литературы содержит 132 наименования. Приложения представле ны на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель и приведе на общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе представлена классификация мембранных процессов, ос нованная на характере движущих сил массопереноса и классификация мембран по различным признакам. Проведен анализ конструкций мембранных аппара тов, использующих отвод диффузионного слоя.





Во второй главе проведен анализ применения теории передаточных функций для моделирования изучаемых систем. Предложена математическая модель процесса концентрирования обезжиренного молока в мембранном ап парате с постоянным отводом диффузионного слоя на основе теории переда точных функций.

Структурную схему мембранного аппарата с постоянным отводом диф фузионного слоя можно представить в следующем виде (рис.1):

WкожР(S) WкожT(S) WопС(S) WопT(S) Свых кож(t) Свх(t) WкожС(S) Свых оп(t) WопС(S) WопV(S) WкожV(S) Рис.1 Структурная схема мембранного аппарата с постоянным отводом диффузионного слоя На данной схеме аппарат, в котором происходит мембранное разделение, представлен в виде «черного ящика», который имеет каналы типа «вход выход». Передаточные свойства каждого канала системы определяются соот ветствующей передаточной функцией.

Входным воздействием на процесс мембранного концентрирования в ап парате является концентрация задерживаемых веществ в исходном растворе Свх(t), %масс. К выходным параметрам относятся: содержание растворенных веществ в концентрате, отводимом из кожуха Свых кож(t), %масс. и концентрация растворенных веществ в основном потоке Свых оп(t), %масс. На процесс также оказывают влияние основные технологические параметры: рабочее давление Р, МПа, температура концентрируемого раствора Т, С и скорость течения среды в мембране V, м/с. В качестве основного показателя эффективности функциони рования аппарата выбрана концентрация растворенных веществ в отводимом диффузионном слое, т.е. растворе, отводимом из кожуха Свых кож(t), %масс. Для упрощения расчета математической модели изменение производительности мембраны по фильтрату (проницаемость) в данном случае не рассматривается, так как после образования диффузионного слоя проницаемость мембраны дос тигает стационарного значения и практически не меняется.

Изменения входных воздействий носят ступенчатый характер, что обу словлено спецификой протекания процесса концентрирования:

· Cс(t) = 0%масс., при t 0;

Cс(t) = 8%масс., при t 0;

· Tс(t) = 50 C, при t 0;

Tс(t) = 60 C, при t 0;

· Pс(t) = 0,2МПа, при t 0;

Pс(t) = 0,22МПа, при t 0;

· Vс(t) = 0,5м/с, при t 0;

Vс(t) = 0,6м/с, при t 0.

Из-за периодического накопления белкового слоя на внутренней поверх ности мембраны и его смывания, изменение концентрации растворенных ве ществ в диффузионном слое носит колебательный характер. Для описания ди намических свойств каналов преобразования входных сигналов в выходные выбрана передаточная функция вида (1):

k W(S) = + С0, (1) F S + 2 F о S + 2 где k – коэффициент усиления объекта;

F – постоянная времени объекта;

– коэффициент демпфирования (1 0).

С0 = 1 – относительная концентрация задерживаемых веществ в ис ходном растворе, %масс./%масс.

На стадии структурной идентификации объекта моделирования необхо димо учесть тот факт, что мембранный аппарат не обладает транспортным за паздыванием. Это объясняется с тем, что скорость движения концентрируемой среды в мембранном канале аппарата равна 0,6 м/с, а длина мембраны - 0,25 м.

Выбранная передаточная функция пригодна для описания свойств кана лов типа «вход – выход». Для описания динамических характеристик каналов воздействия давления, температуры и скорости течения среды на выходные по казатели процесса концентрирования необходимо нанесение ступенчатых воз действий сразу по входному каналу и каналу соответствующего возмущения.

При определении передаточных функций по каналам влияния давления на концентрацию растворов на выходах системы в нее вносят одновременно два входных воздействия С(S) и P(S) (рис.2).

Рис.2 Определение передаточных функций по каналам воздействия давления на содержание растворенных веществ на выходах системы На выходе системы получается следующий сигнал:

YC,P(S) = C(S) WC (S) + P(S) WP(S). (2) Преобразуем выражение (2) к виду:

YC,P(S) - C(S) WC(S) WP(S) =, (3) P(S) где WC(S) – передаточная функция каждого из каналов системы по исход ной концентрации (WкожС(S), WопС(S)) в соответствии с рис.1;

WР(S) – передаточная функция каждого из каналов системы по давле нию (WкожР(S), WопР(S));

C(S)=8/S;

P(S)=0,02/S.

Для определения передаточных функций по каналам влияния скорости течения среды на концентрацию растворов на выходах системы в нее вносят одновременно два входных воздействия С(S) и V(S) (рис.3).

Рис.3 Определение передаточных функций по каналам воздействия скорости течения на содержание растворенных веществ на выходах системы YC,V (S) = C(S) WC (S) + V(S) WV (S), (4) YC,V (S) - C(S) WC(S) WV (S) =, (5) V(S) где WV(S) – передаточная функция каждого из каналов системы по скоро сти течения среды (WкожV(S), WопV(S));

V(S)=0,1/S.

По каналам влияния температуры на концентрацию растворов на выходах системы в нее вносят одновременно два входных воздействия С(S) и T(S) (рис.4).

Рис.4 Определение передаточных функций по каналам воздействия температуры на содержание растворенных веществ на выходах системы YC,T (S) = C(S) WC (S) + T(S) WT (S), (6) YC,T (S) - C(S) WC(S) WT (S) =, (7) T(S) где WТ(S) – передаточная функция каждого из каналов системы по темпе ратуре (WкожТ(S), WопТ(S));

T(S)=10/S.

В результате получаем модель процесса концентрирования обезжиренно го молока в мембранном аппарате в виде системы уравнений (8), которые опре деляют концентрацию сухих веществ на выходах мембранного аппарата в про извольный момент времени при определенных значениях технологических па раметров процесса.

Cкож (S) = C(S) WкожС(S) + P(S) WкожP(S) + V(S) WкожV(S) + T(S) WкожТ (S), (8) Cоп (S) = C(S) WопС (S) + P(S) WопР (S) + V(S) WопV (S) + T(S) WопT (S).

Оценка адекватности математической модели процесса мембранного концентрирования в аппарате с постоянным отводом диффузионного слоя про водилась в системе MATLAB при помощи стандартных средств приложения Simulink. Проверка адекватности по описанию и прогнозированию реального процесса концентрирования обезжиренного молока показала, что расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 6,7% в соответствии с квадратичной оценкой. Таким образом, адекватность полученной математиче ской модели имеет достаточно высокий уровень.

В третьей главе приведено описание опытной лабораторной установки, в состав которой входит разработанный мембранный аппарат с постоянным от водом диффузионного слоя, предложена методика проведения эксперименталь ных исследований, представлены результаты экспериментальных исследова ний, получено уравнение регрессии, проведены исследования внутренней структуры отложений на мембране с помощью электронного микроскопа.

Основной целью при разработке конструкции мембранного аппарата, учитывая анализ уже существующих конструкций, было увеличение произво дительности по отводимому диффузионному слою одновременно с упрощени ем технического исполнения аппарата. Исходя из этого, разработана конструк ция мембранного аппарата (рис.5), новизна которого защищена патентом РФ №2318583.

7 6 2 3 А Вид В В 5 А А-А Рис.5 Схема мембранного аппарата с постоянным отводом диффузионного слоя Устройство состоит из корпуса 1, на котором находится кожух 2 со шту цером 3. Корпус имеет конические отверстия 4. Внутри корпуса находится ко ническая втулка 5 с проточкой. Положение втулки регулируется при помощи резьбы 6. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 7.

Устройство работает следующим образом. Исходный раствор под давлением, проходя по трубчатой мембране 7, фильтруется. При этом на внутренней поверхности мембраны образуется подвижный диффузион ный слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление концентрационной поляризации). Диффузионный слой, за счет разности давлений, устремляется в зазор между наружной поверхностью конической втулки 5 и корпусом 1 и, проходя через отверстия 4 попадает в кожух 2, а затем отводится через штуцер 3. Коническая форма отверстий предусматривает бо лее интенсивный отвод через них диффузионного слоя. За счет изменяющейся геометрии конуса (уменьшения внешнего диаметра) происходит увеличение давления среды при движении вдоль его образующей. Это позволяет отвести большую часть слоя, находящегося в зазоре. Основная часть потока (с меньшей концентрацией) направляется во внутреннюю полую область конической втул ки 5, не создавая застойных зон. Этому способствует как проточка на входе в конус, так и изменяющийся внутренний диаметр.

Предложенная форма конической втулки и конические отверстия в кор пусе позволяют увеличить концентрацию и количество отводимого диффузи онного слоя по сравнению с аналогичными конструкциями.

Цель экспериментальных исследований заключалась в проверке работо способности мембранного аппарата и выявлении его технических возможно стей. В качестве исходного продукта использовалось восстановленное обезжи ренное молоко с концентрацией растворенных веществ 8%масс. Для проведе ния исследований были выбраны керамические мембранные фильтры произ водства НПО "Керамикфильтр" на основе карбида кремния в виде трубки с на ружным диаметром 10мм, внутренним - 6мм и размером пор- 0,02мкм.

Осуществление экспериментальных исследований проводилось по трем направлениям:

· Определение оптимального соотношения количества отводимого диффузионного слоя и основного потока, т.е. производительности аппарата, при которой достигается максимальная концентрация в отводимом слое;

· Изучение влияния технологических параметров на концентрацию сухих веществ в отводимом слое;

· Изучение влияния основных конструктивных параметров на кон центрацию сухих веществ в отводимом слое.

Для интенсификации процесса мембранного концентрирования необхо димо отводить слой с наибольшей концентрацией. Для этого нужно установить оптимальное соотношение количества отводимого диффузионного слоя Vкон и основного потока Vо.п., при котором его концентрация и производительность максимальны. Анализ результатов опытных данных (рис.6) показал что, наи большее содержание сухих веществ (порядка 10,3 %масс.), наблюдалось при соотношении Vкон./Vо.п. равным 1/40. При этом объемный расход основного потока составлял 0,017л/сек, что соответствовало Re=2300 (скорость движения раствора равнялась 0,6 м/с).

Рис.6 Зависимость массового содержания сухих веществ в отводимом диффузионном слое от объема основного потока и соотношения Vкон/Vо.п., (Р=0,2 МПа;

Т=60 0С;

t=20 мин) На следующем этапе исследований изучено влияние основных техноло гических параметров на массовое содержание задерживаемых веществ в отво димом диффузионном слое: давления (Р), температуры (T), режима течения жидкости (Re) и продолжительности обработки (t). Для определения влия ния этих параметров проведена серия опытов (рис.7-10). Анализ экспери ментальных зависимостей показал, что максимальное содержание сухих ве ществ в отводимом диффузионном слое обеспечивают следующие параметры:

Р=0,2 МПа, Т=60 0С, Re=2300, t=20 мин.

10, 9, 9, С,%масс.

9, 8, 8, 8, 0,05 0,1 0,15 0,2 0, Р, МПа Рис.8 Влияние температуры на массовое Рис.7 Зависимость массового содержания су содержание сухих веществ в отводимом хих веществ в отводимом диффузионном слое диффузионном слое, от давления, (Т=60 0С;

Re=2300;

t=20 мин) (Р=0,2 МПа;

Re=2300;

t=20 мин) 10, 10, 10 9,5 9, С,%масс.

С,%масс.

8, 8, 7, 7, 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 0 10 20 30 40 Re Время, мин Рис.9 Зависимость массовой концентрации от Рис.10 Влияние продолжительности обра водимого диффузионного слоя от режима тече ботки на массовую концентрацию сухих ния среды в канале аппарата, веществ в отводимом диффузионном слое, (Р=0,2 МПа, Т=60 0С, t=20 мин) (Р=0,2 МПа, Т=60 0С, Re=2300) Дальнейшие исследования были посвящены получению рациональных значений конструктивных параметров. Анализ показал, что наибольшее влия ние на концентрацию отводимого диффузионного слоя (Y), оказывают:

Х1 – соотношение наибольшего диаметра конуса и внутреннего диаметра корпуса z;

Х2 – соотношение диаметров конуса (конусность) p;

Х3 – соотношение диаметров отверстий в корпусе (конусность отвер стий) b;

Х4 – соотношение площади отверстий в корпусе к максимально возмож ной площади h.

Опыты проводили при рациональных значениях технологических па раметров, указанных выше.

На начальном этапе было определено рациональное соотношение внут реннего диаметра корпуса и конуса, т.е. размер кольцевой щели между корпу сом и конусом, через которую проходит диффузионный слой. Результаты ис следований представлены в табл. 1.

Таблица Значения соотношений наибольшего диаметра конуса и диаметра корпуса Внутренний диаметр корпуса, мм 6 6 6 6 6 Наибольший диаметр конуса, мм 5,7 5,3 5,1 4,9 4,7 4, 5, Массовое содержание сухих веществ С, 9 9,45 9,4 9,2 9 8, 9, %масс.

Соотношение диаметров z 0,95 0,917 0,88 0,85 0,817 0,78 0, На следующем этапе были исследованы соотношения большего и мень шего диаметров конической втулки (конусность). Проведенные опыты показы вают, что из конструктивных соображений больший диаметр конуса можно принять фиксированным, равным 5,5мм, а изменять только меньший диаметр.

Для этого были использованы пять конических втулок с разными диаметрами меньшей части. Результаты исследований отражены в табл. 2.

Таблица Значения соотношений диаметров конуса (конусности) Больший диаметр конуса, мм 5,5 5,5 5,5 5, 5, Меньший диаметр конуса, мм 5,5 5 4 3, Массовое содержание сухих веществ С, %масс. 9 9,1 9,6 9, 9, Соотношение диаметров p 1 0,9 0,73 0,64 0, Далее изучено влияние конусности отверстий в корпусе на массовое со держание сухих веществ в отводимом концентрате. Количество отверстий в корпусе сделали равным среднему числу отверстий, возможным на данной площади (90шт.). Для проведения опытов были использованы корпуса аппара тов с различным исполнением отверстий. Размеры отверстий корпуса и резуль таты исследований представлены в табл. 3.

Таблица Значения соотношений диаметров отверстий в корпусе (конусности отверстий) Больший диаметр отверстий, мм 0,9 0,9 0, 0, Меньший диаметр отверстий, мм 0,9 0,7 0, 0, Массовое содержание сухих веществ С, %масс. 9,4 9,7 9, 9, Соотношение диаметров b 1 0,78 0,56 0, На завершающем этапе определена пористость корпуса (отношение пло щади отверстий к площади корпуса). Данные результатов опытов представлены в табл. 4.

Таблица Соотношение площадей отверстий к площади корпуса 1,9х 3,8х 7,6х 9,5х 5,7х Площадь отверстий в корпусе, м 10-5 10-5 10-5 10- 10- Количество отверстий в корпусе, шт 30 60 120 Площадь корпуса, м2 1,1304х10- Массовое содержание сухих веществ С, %масс. 9 9,7 9,7 9, 9, Соотношение площадей h 0,169 0,338 0,506 0,675 0, Наиболее полно характер влияния конструктивных параметров на кон центрацию диффузионного слоя отражает уравнение регрессии в форме поли нома второго порядка (9).

k k Y = b 0 + b j X j + b jj X 2, (9) j j=1 j= Для построения регрессионной модели выбран пассивный эксперимент. В соответствии с таблицей пассивного эксперимента стандартными средствами пакета MS Excel определены коэффициенты уравнения регрессии, их статисти ческие характеристики и сделан вывод о значимости параметров и адекватно сти модели.

Уравнение регрессии в натуральном масштабе имеет вид (10):

Y = -27,2 + 75,82 X1 + 6,57 X 2 + 0,03 X 3 + 3,7 X 4 (10) 2 2 2 - 42,17 X1 - 5,08 X 2 - 0,4 X 3 - 3,33 X 4.

Задача определения значений конструктивных параметров, обеспечи вающих максимально возможное содержание сухих веществ в диффузионном слое, сводилась к определению максимума функции четырех переменных. Ре зультаты анализа уравнения регрессии (10) представлены в виде системы (11).

При этом образуется диффузионный слой с максимальным содержанием сухих веществ (12).

X1 = 0,899, X = 0,647, (11) X 3 = 0,557, X 4 = 0,556.

C(0,899;

0,647;

0,557;

0,556) = 9,925 %масс. (12) Увеличение концентрации растворенных веществ в отводимом слое по сравнению с концентрацией в исходном растворе составляло 24,07%.

Перспективность конструкции подтверждена данными технических ис пытаний на Кемеровском молочном заводе ООО МПО «Скоморошка».

Были проведены исследования внутренней структуры диффузионного слоя с помощью низковакуумного аналитического растрового электронного микроскопа «JSM-6390LV» фирмы «JEOL» (Япония). Данные исследования проводились с целью изучения механизма образования поверхностного слоя, его внутренней структуры и влияния технологических параметров на структуру слоя и производительность процесса. Исследования проводились на обезжи ренном молоке при рациональных технологических параметрах. Продолжи тельность переработки составляла 1 час. На рис.15, 16 представлены фотогра фии структуры отложений на мембране, их толщина.

Рис.15 Изображение поперечного среза, увеличение Х900, режим высокого вакуума.

Рис.16 Изображение поперечного среза, увеличение Х1300, режим высокого вакуума.

Как видно из фотографий, наблюдается двухслойная структура слоя: губ чатый верхний слой размером 31,3мкм и нижний игольчатый высотой 32,2мкм.

Анализ фотографий позволяет предположить, что данные технологические па раметры благоприятно влияют на работу мембранного оборудования с отводом диффузионного слоя. Структура нижнего слоя, имеющая достаточно рыхлый пространственный каркас, сформировавшийся в начале работы, несущественно увеличивает сопротивление фильтрованию и мало влияет на проницаемость. И верхний, более плотный и концентрированный слой, часть которого отводится в качестве диффузионного.

В четвертой главе предложена модернизированная технология произ водства биотворога для детского питания с применением разработанного аппа рата, преимуществом которой является сокращение продолжительности изго товления продукта, улучшение его органолептических и физико-химических свойств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ 1. Разработана математическая модель процесса концентрирования в мембранном аппарате с отводом диффузионного слоя на основе теории переда точных функций. Модель позволяет определять концентрацию сухих веществ на выходах мембранного аппарата в произвольный момент времени. Отклоне ние значений, полученных с использованием этой модели от опытных данных, составляет не более 6,7%.

2. Разработана конструкция мембранного аппарата с отводом диффу зионного слоя, особенностью которой является форма конической втулки и конфигурация отверстий в корпусе, что приводит к увеличению концентрации и количества отводимого диффузионного слоя. Техническая новизна конст рукции защищена патентом РФ №2318583.

3. Исследовано влияние технологических и конструктивных парамет ров на массовое содержание сухих веществ в отводимом диффузионном слое.

Предложено уравнение регрессии процесса мембранного концентрирования для обезжиренного молока, учитывающее влияние конструктивных параметров ап парата на массовое содержание сухих веществ в отводимом диффузионном слое. Определены рациональные значения конструктивных параметров, обес печивающие максимально возможное содержание растворенных веществ в продукте.

4. Сравнительные испытания традиционного оборудования и разрабо танного аппарата показали преимущества последнего. При одинаковых пара метрах и площади мембран, для получения концентрата заданного состава ис пользование нового аппарата значительно сокращает время работы.

5. Проведены исследования внутренней структуры отложений на мембране с помощью электронного микроскопа. Установлено, что они состоят из двух слоев: верхнего губчатого размером 31,3 мкм и нижнего игольчатого высотой 32,2 мкм.

6. Предложена модернизированная технология производства биотво рога для детского питания с применением разработанного аппарата, преимуще ством которой является сокращение времени его изготовления, улучшение ор ганолептических и физико-химических свойств готового продукта.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ 1. Мембранная установка на основе оборудования нового типа / Лобасен ко Б.А., Пашкевич А.А. / Техника в сельском хозяйстве: научно-теоретический журнал №4, 2010 – Москва. – С.17-19.

2. Патент №2318583 РФ, МПК B01D 63/06. Аппарат для мембранного концентрирования / Б.А. Лобасенко, А.А. Пашкевич, А. Г. Семенов (Россия). – №2006126272;

заявлено 19.07.2006;

опубликовано 10.03.2008, Бюл. №7.

3. Оптимизация конструктивных параметров мембранного аппарата с от водом диффузионного слоя для концентрирования молочных сред / Лобасенко Б.А., Котляров Р.В., Пашкевич А.А.;

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2006. – 15 с.: ил. – Библиогр.: 7 назв. – Рус. – Депонирована 16.06.06, № 812-В2006.

4. Разработка конструкции мембранного аппарата для интенсификации процесса переработки сыворотки / Истратова Е.Е., Пашкевич А.А. / Повыше ние качества образования: развитие творческой и инновационной деятельности студентов: доклады IV межрегиональной научно-практической конференции.

Часть 1 / КемТИПП. – Кемерово, 2006. – С.74-76.

5. Выявление оптимальных параметров работы мембранного аппарата не прерывного действия / Истратова Е.Е., Пашкевич А.А. / Техника и технология пищевых производств: сб. науч. работ / Отв. Ред. В.П. Юстратов, Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2006. – С.48-50.

6. Аппарат для мембранного концентрирования / Пашкевич А.А., Котля ров Р.В./ Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов:

сб. науч. работ/ Кемеровский технологический институт пищевой промышлен ности. - Выпуск №12 - Кемерово, 2007. – С.81.

7. Повышение производительности ультрафильтрационного оборудова ния / Котляров Р.В., Пашкевич А.А., Гарифулин Р.Ш. / Непрерывное профес сиональное образование и карьера – ХХI в. Региональная научно-практическая конференция, г. Юрга, 20 апреля 2007 г. Сборник тезисов. – Томск: STT, 2007. – С.75-76.

8. Определение оптимального режима течения продукта в аппарате для мембранного концентрирования / Пашкевич А.А., Гарифулин Р.Ш., Котляров Р.В. / Непрерывное профессиональное образование и карьера – ХХI в. Регио нальная научно-практическая конференция, г. Юрга, 20 апреля 2007 г. Сборник тезисов. – Томск: STT, 2007. – С.76-78.

9. Определение технологических параметров процесса ультрафильтра ции./ Пашкевич А.А., Гарифулин Р.Ш./ Пищевые продукты и здоровье чело века: тезисы докладов II Всероссийской конференции студентов и аспирантов.

В 3-х частях. Часть 2. – Кемерово, 2009. – С.116.

10. Исследования мембранного аппарата использующего явление концен трационной поляризации / Пашкевич А.А., Котляров Р.В., Гарифулин Р.Ш. / Ионный перенос в органических и неорганических мембранах: материалы меж дународной конференции с элементами научной школы для молодежи / Под общ. Ред. Т.А. Красновой;

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2010. – С.156-159.

11. Мембранный аппарат с отводом диффузионного слоя / Гарифулин Р.Ш., Пашкевич А.А., Котляров Р.В., Иванова С.А. / Ионный перенос в орга нических и неорганических мембранах: материалы международной конферен ции с элементами научной школы для молодежи / Под общ. Ред. Т.А. Красно вой;

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2010. – С.149-151.

Подписано к печати 21.05.12. Формат 6090/ Объем 1,1 п.л. Тираж 80 экз. Заказ № 79.

Отпечатано на ризографе ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, отпечатано в лаборатории множительной техники ФГБОУ ВПО КемТИПП 650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.