Фильтрование подсолнечного масла в поле виброакустического воздействия

Сохранение качества сырых и нерафинированных подсолнечных масел при хранении и очистки их от первичных и вторичных продуктов окисления является актуальной задачей.

Известно, что неочищенные растительные масла (сырые и нерафинированные), содержат неомыляемые фракции, в состав которых входят фосфолипиды, токоферолы, стеролы, воски, углеводы, пестициды, белки. Некоторые из этих компонентов нежелательны, и от них при очистке необходимо избавляться, так как переход в масло полярных и неомыляемых липидов способствует постоянному развитию в масле при хранении гидролитических и окислительных процессов [2, 7].

Наряду с этим в маслах, производимых на малотоннажных производствах, вследствие упрощённых процессов отжима и фильтрования присутствуют механические примеси. При этом размер механических частиц колеблется в значительном интервале – от 3 мм до 0,01 мкм. Остаточные количества твёрдых веществ, в основном состоящих из белка и клетчатки, при хранении масла переходят в другие формы, что в итоге ведёт к изменению цветности (мутность) и неприятному вкусу и затхлому запаху.

При очистке сырых и нерафинированных подсолнечных масел наряду с удалением первичных продуктов окисления проблемной задачей является удаление твёрдых составляющих, образуемых при переработке семян подсолнечника. For citation

Все они независимо от химического состава негативно воздействуют на качество пищевого продукта и с течением определенного времени насыщают масло коагулянтами, воздействующими на его органолептические и физико-механические характеристики [4–6].

Для очистки растительных масел используют процесс фильтрования. С целью определения влияния виброакустического воздействия при фильтровании подсолнечного масла проведён комплекс исследований.

Рассмотрена задача очистки нерафинированного подсолнечного масла фильтрованием с использованием виброакустического воздействия. Из закона Дарси следует, что для повышения эффективности фильтрации необходимо повысить давление над фильтрационной перегородкой.

u = - k grad p, (1) µ где k = -d2 f (m) – проницаемость фильтрационной перегородки (d – диаметр поры, m – пористость фильтрационного элемента, см2; μ – вязкость жидкости; grad p – градиент давления, характеризующий изменение давления у точки пористой среды.

Акустические течения, распространяясь в обрабатываемой среде жидкости, выделяют некоторую часть своей энергии в виде теплоты и способствуют снижению вязкости масла и его более легкому проникновению в поры и устьица фильтрующего элемента. Другая часть энергии создает в жидкой среде регулярные механические импульсы в виде акустических кумулятивных течений. [1, 3].

Скорость направленного переноса масла к фильтру оценивается толщиной акустического пограничного слоя, а интенсивность распределения акустических волн – переменным звуковым давлением. Эти периодические сжатия и расширения в каждом слое жидкости различны и рассматриваются как результат давления переменного действия с амплитудой:

Р = ρ с λω = ρ сV_m . . (2) (2)

Исходя из физического смысла, показатель плотности и коэффициента сжимаемости жидкости ρ с представляет собой акустическое сопротивление среды. Известно, что при распространении ультразвуковой волны λω в обрабатываемой среде её интенсивность уменьшается. В итоге волна в однородной среде затухает. Это ведёт к уменьшению интенсивности амплитуды колебательной скорости и движущей силы акустических микропотоков V m .

В нашем случае, когда обрабатываемой средой является подсолнечное масло, представляющее собой неоднородную систему с повышенными показателями плотности и вязкости, распространение колебательных волн и, соответственно, акустических течений усложнено. Это уменьшает поток энергии в объёме жидкости, вызывает поглощение ультразвука средой необратимым переходом энергии звуковой волны в тепло.

Интенсивность акустических кумулятивных микропотоков, осуществляющих направленный перенос подсолнечного масла через фильтрующий элемент, оценивается толщиной акустического пограничного слоя, где амплитуда колебания частиц жидкости зависит от толщины пограничного слоя. В пограничном слое частота колебательных движений частиц переменна, от 0 на поверхности, она достигают 0,63 амплитуды в объёме подсолнечного масла. В связи с этим для полного охвата всего объёма жидкости акустическими течениями путём увеличения пограничного слоя и уменьшения зависимости качества очистки от порога затухания волны установлена необходимость дополнительного придания жидкости механических колебаний. В таком случае толщина пограничного слоя с некоторыми приближениями будет зависеть от вязкости и плотности очищаемой жидкости, а также от частоты ультразвуковых и вибрационных колебаний:

где η – динамическая вязкость, Па·с; f ∑ – суммарная частота ультразвуковых и вибрационных колебаний, с^–1; ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Уменьшение толщины пограничного слоя должно привести к положительному эффекту, так как теоретически считается, что частота ультразвука намного меньше длины волны ультразвука, а дополнительные колебания от вибровозбудителя в объёме подсолнечного масла должны изме- нить это соотношение.

Для акустического поля характерны звуковые давления, интенсивность распространения которых в каждой точке жидкой среды различны. Исходя из этого постоянно меняется величина давления над фильтром, оно приобретает импульсный характер. Следовательно, интенсивность звуковой волны зависит от давления Ρ (мПа), амплитуды А (м·10^–6), амплитуды колебательной скорости V m и ускорения перемещаемых акустических волн В (м/с²):

P 1 э э 1 Pc Э 1 О

I = ^P = ¹ ρ c ω ² A ² = ^{1 Pc} B ² = ¹ ρ cVm ². (4)

2 ρ c 2         2 ω ²     2

Учитывая характер изменения интенсивности ультразвуковых колебаний, зависящей от сопротивления их проникновению в масло, расчет необходимой в практических целях интенсивности и амплитуды ведётся в зависимости от её затухания на расстоянии х :

I = I 0 e ^{- 2 α x} ; A = A 0 e ^{- α x} , мм, (5)

где I 0 и А 0 – интенсивность и амплитуда звуковых колебаний вблизи источника колебаний соответственно; е – число Непера, е = 2,72; α – коэффициент поглощения звуковых волн средой для исследуемой среды, α = 2 η f ² 3 ρ c ³ , η – вязкость масла, МПа·с; f – частота колебаний, Гц.

Плоская акустическая волна с небольшой амплитудой и частотой для стационарного режима характеризуется тем, чем больше частота колебаний f , тем меньше длина волны λ:

λ = c / f , м. (6)

В нашем случае в конструктивных размерах резервуара, где осуществляется процесс, должны учитываться длина волны и скорость её распространения с , зависящие от проницаемости масла. Расчёты велись по схеме, представленной на рисунке 1. Расстояние Z 0 = D/А λ характеризует ближнюю зону излучения колебательных волн.

Рисунок 1. Расчётная схема поля плоского излучателя для очистки подсолнечного масла

• Figure 1.    Design scheme for a flat field emitter for cleaning sunflower oil

По мере воздействия на волну физических показателей масла скорость её распространения падает, и эта зона уширяется конусообразно.

Интенсивность ультразвуковых волн в ближней зоне Z 0 и зоне убывания определяется выражениями:

D2 +λ2

Z0 =         ; α= arcsin⋅1,22 ,(7)

0    4λ где D – диаметр поверхности излучателя, м.

Интенсивность волн в дальней убывающей зоне Zmax определяется по формуле:

Z = ^{D 2} - λ max λ 4 .

Произведя расчёты по выражениям (5–8) для стационарного режима с плоской акустической волной с небольшой амплитудой и частотой, при условии, что чем больше f , тем меньше λ (λ ≠ f ), определены параметры ультразвукового поля (таблица 1) .

Недостатком однополярной продольной направленности звуковых колебаний является возникновение горизонтальных микропотоков, способствующих только продвижению очищаемого масла сквозь фильтрующий элемент. Процесс близок к статическому, суспензия с твёрдыми частицами под действием массы и ускорения свободного падения оседает на поверхности фильтрующего элемента. Это обстоятельство диктует целесообразность создания дополнительных продольных микропотоков, обеспечивающих срыв слоя твёрдых частиц с поверхности фильтра и их вынос в поверхностный слой очищаемой жидкости, а за счёт возникающих инерционных сил – перемещение твёрдых частиц в накопительную ёмкость и выгрузку суспензии без остановки установки.

Таблица 1.

Расчётные характеристики ультразвукового поля для очистки подсолнечного масла

Table 1.

The design characteristics of the ultrasonic field for cleaning sunflower oil

Параметр	Расчётное значение
Амплитуда колебаний А , м·10–6	4,52–5,00
Частота колебаний f , 18…18,5 кГц	18–18,5
Амплитуда скорости V , м·10–1	5,65–5,84
Амплитуда ускорения В , м·104	6,37–6,82
Скорость распространения волн С , м/с	1468–1474
Длина волны λ , м	0,03–0,06
Интенсивность в зоне Z 0 , м	0,14–0,16
Интенсивность в зоне Z max , м	0,54–0,57
Угол интенсивности уширения пучка α, рад.	0,44–0,48
Давление затухания Р 3 , Па·105	9,16
Интенсивность излучения j, Вт/м2·105	2,75
Амплитуда последнего максимума колебаний А Z max , м·10–6	5,01
Интенсивность излучения в площади W , Вт/м2·103	9,81
Коэффициент затухания α 0 , с2/м·10–3	4,8
Интенсивность последнего максимума колебаний j Z max , Вт/м2·105	2,71

Повышение технологических возможностей очистки сырого и нерафинированного подсолнечного масла связано с эффектом дробления или коагуляции дисперсных частиц и гомогенизации среды:

I = M ,               (9)

St где M – количество перенесённого вещества; S – единица площади или объёма, сквозь которое переносится вещество, м2; t – продолжительность переноса вещества, с.

В соответствии с закономерностями термодинамики реальных процессов интенсификация рассматриваемого процесса очистки масла может быть обеспечена по линейному закону переноса:

— = kSF , a t

где k – коэффициент скорости технологического процесса; F – движущая сила процесса переноса, Н·м.

Из выражений (9) и (10) следует, что количество перенесённого вещества М пропорционально площади установки S и движущей силе F . Отсюда следует, что для скорости процесса можно интенсифицировать путем создания дополнительных микропотоков, обеспечивающих активное воздействие на движение жидкости, газа и твёрдых частиц.

В исследовании принято решение о расширении энергетических воздействий для создания в жидкой среде совокупной системы, улучшающей гидродинамическую обстановку в масштабе установки для очистки масла. При этом необходимо обеспечить возможность создания нескольких видов физических воздействий, направленных на изменение состояния обрабатываемой среды.

Механические вибрационные колеба- тельные движения в масле характеризуются как гармонические продольные, зависящие от скорости и ускорения перемещения частиц в среде с различными показателями плотности

V = y = A tocos(tot + ф) = n.

= A to sin( to t + ф + —);

a = y = - A to ² sin( ro t + ф ) =

= A to ² sin( to t + ф + n ).

Отсюда их амплитудные значения:

V max = A to  ^a _max = A ^{to 2}.         ⁽1³⁾

Дальнейшими расчётами исследовали движение единичных твердых частиц для их отвода (унос). Собственная частота дополнительных колебаний на упругих опорах равна:

fо = ZC, (14) 2n mo где С – жесткость пружины, Н/м; mo – масса частей аппарата, подвергаемая вибрации, кг.

Микропотоки под действием сил сопротивления среды затухают, что ведёт к снижению эффективности очистки масла и загрязнению сорбента фильтратом. Это устраняется за счёт создания механического вибрационного колебательного движения. Тогда расчётная формула коэффициента поглощения совмещённой колебательной среды (α) принимает вид:

2 , a c 2 n f +

2 n f ² + f 2 =        4 n² m o

3 p c³          3 p c³

где η – вязкость подсолнечного масла, η = 0,0598 Па·с; f – частота акустических колебаний, согласно рекомендациям [8], принимается f = 10 f 0 с^–1; ρ – плотность очищаемого масла, ρ = 920 кг/м³; с – коэффициент сжимаемости масла, с = 20,5.

При дальнейших расчётах жесткость пружины принималась с = 800 Н/м, масса элементов возбудителя и фильтрующего элемента (картриджа с сорбентом) m 0 = 3,5 кг.

Конструктивные размеры картриджа с сорбентом принимались из соотношения его высоты к диаметру ^fc/d2 = 1 тогда dk = 3П; hk = 2dk (16)

Твёрдая частица (рисунок 2) осадка 1 массой m удерживается на поверхности фильтрующего элемента 2 силой адгезии Q с силой тяжести G. При этом сила инерции от продоль- ного направления:

P 1 = mA to ² sin to t .            (17)

Рисунок 2. Схема направления акустических Р 1 и вибрационных Р 2 потоков: 1 – твёрдая частичка осадка; 2 – слой сорбента

• Figure 2.    Scheme of the direction of the acoustic vibration P1 and P2 threads: 1 – the solid part of the sludge; 2 – layer sorbent

Поскольку сила адгезии осадка в нормальном и касательном направлениях одинакова, то и условия обеспечения съёма осадка с поверхности фильтрующего элемента идентичны [9–11]. Отсюда следует, что при силе тяжести частички, соответствующей силе адгезии, одновременно протекают процессы отрыва частицы и её перемещения по поверхности фильтрующего элемента. Направление действия силы инерции Р 1 даёт возможность создаваемой силой тяжести G, осуществляется за счёт акустической силы инерции.

Силу адгезии для нашего случая определяем по формуле:

к. Ст

Q = k^ G (1 + 2 ),          (18)

Д ж ⁶

где k 1 – проницаемость осадка сквозь адсорбент; μ ж – динамический коэффициент вязкости масла, Па·с; G – сила тяжести осадка; δ – высота слоя осадка на поверхности фильтрующего элемента, мм; λ – интенсивность колебаний, с^–1.

Рисунок 3. Схема сил, действующих на частицы осадка: а–a – поверхность фильтрующей перегородки; п–п – нормаль к поверхности а–а

• Figure 3.    Scheme of forces acting on sediment particles and a surface of the filter membrane; p–p is normal to the surface a–a

Силы, срывающие от поверхности фильтрующего элемента осадок и перемещающие его в установленном направлении для очистки от продуктов загрязнения масла анализировали по схеме (рисунок 3) . Условие передвижения частицы осадка по поверхности а–a обеспечивается соотношением инерционных сил Р и cos α,