Особенности барботажа азотом подсолнечного масла с регулируемой дезинтеграцией пузырей

Детальное изучение переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях является основой создания новых технологий и оборудования в масложировой отрасли. В России растут объемы производства растительных масел и одновременно повышаются требования к качеству продукции. При этом в конкурентной среде положительный экономический результат достигается там, где используются передовые ре-сурсо- и энергосберегающие технологии. Эффективные экспериментальные исследования, проводимые в рамках системных научных программ, являются надежным фундаментом новых физических и численных моделей тепломассообмена, позволяющих в инженерных расчетах масложирового оборудования обеспечивать максимальную интенсификацию процессов.

Барботаж давно и успешно применяется для обработки растительных масел с целью удаления из них остаточного содержания растворителя и других токсичных примесей. В качестве рабочей газовой среды используется перегретый водяной пар. Причем используется так называемый острый пар, то есть такой, который непосредственно контактирует с обрабатываемым продуктом. Перегретый водяной пар - технологически доступный теплоноситель, однако его применение в масложировой отрасли имеет ряд недостатков. Для его эффективного использования необходим относительно высокий уровень рабочих температур в сравнении с допустимой температурой обработки исходного сырья, что повышает энергоемкость производства и вызывает рост продуктов окисления. Кроме того, необходима тщательная водоподготовка для предотвращения образования высокотоксичных соединений компонентов растительных масел даже со следами солей в конденсате водяного пара. При этом удаленность его генерации от мест применения создает сложности при транспортировке и увеличивает теплопотери. Вполне понятным является желание замены этого теплоносителя на иные. Самое важное условие - это химическая инертность перспективного теплоносителя по отношению к обрабатываемому материалу. Таким теплоносителем может стать газообразный азот.

Но для более глубокого понимания закономерностей процессов необходимо было изучить опыт исследований в рассматриваемой области знаний - барботажа при различных режимных и геометрических условиях.

Глубокими и основательными исследованиями занимаются специалисты химической отрасли. Так, в работе [1] методом молекулярной динамики исследовалось образование гидратоподобных структур при растворении наноразмерных метановых кластеров в водно-метанольном растворе (0-1 масс.%). Исследование демонстрирует ключевую роль концентрации растворенного метана в процессе образования гидратоподобных фаз в водных растворах. В статье [2] приведены результаты решения стационарных гидродинамических задач, связанных с вытеснением одной вязкопластичной несжимаемой жидкости другой несжимаемой и несмешивающейся жидкостью. В рассмотренных трех задачах фильтрации поведение жидкостей в зонах вытеснения и вытесняемой области описывается разными обобщенными законами Дарси. Эти различия обусловлены разницей в структурной вязкости жидкостей в пластовых условиях различными значениями начальных градиентов давления, проявляющихся в разных зонах залежи. Авторы работы [3] описывают численное исследование всплытия газового пузырька в вязкой жидкости с растворенными поверхностно-активными веществами, исследуя влияние сил вязкого трения и поверхностного натяжения на гидродинамические и диффузионные процессы.

Интересным представляется опыт в области приборостроения: [4] при разработке методики измерений двухфазных потоков с использованием кориолисовых расходомеров исследовано влияние газовых пузырьков на колебания измерительной трубки. Создана конечно-элементная модель в MATLAB, где пузырьки учитываются локальным изменением плотности потока. Численные эксперименты с варьированием газосодержания и скорости потока выявили зависимость фазового сдвига от этих параметров и оценили погрешность измерений 113

расхода. Газопузырьковые жидкости [5], образующиеся при подсосе воздуха в гидравлических системах, обычно оказывают негативное влияние на оборудование, но в отдельных случаях могут снижать уровень звуковых колебаний. В статье представлены экспериментальные данные по дисперсным характеристикам керамического распылителя воздуха в воде, расчеты собственных частот газовых пузырей, а также объяснена неравномерность затухания звукового давления на различных обертонах, основанная на полученных результатах. Экспериментальное исследование влияния выявили ультразвукового излучения на время всплытия микропузырьков в перенасыщенном воздухом водном растворе [6] показало, что ультразвук способствует объединению пузырьков в комплексы, увеличивая скорость их всплытия. Зависимость времени всплытия от частоты не линейна: при 160 кГц время снижается с 39,9 до 13,5 с. В работе [7] разработана гидроупругая модель плавучей гибкой конструкции с погруженным перфорированным основанием. Метод декомпозиции скоростей позволил получить аналитическое решение для конечной глубины, сходимость которого проверена для разных углов волнового воздействия. Результаты гидроупругого анализа выявили влияние угла падения волн и конструктивных параметров на коэффициенты отражения, пропускания, диссипации и перемещения конструкции.

В последние годы исследования барботажа в пищевой промышленности несколько активизировались. Наш научный коллектив в разном составе выполнил цикл работ по изучению барботажа перегретым водяным паром растительных масел. В публикации [8] приведены рекомендации по рациональной организации процесса барботажа в производстве подсолнечных масел. Рассмотрена зависимость устойчивости гидродинамического режима от диаметра отверстий, а также свободного всплытия соседних пузырей по своей траектории от шага отверстий. Как итог, в работе [9] представлены эмпирические соотношения для расчета диаметра и скорости всплытия пузырей перегретого водяного пара в высококонцентрированной мисцелле для маслоэкстракционного производства. Используя формулы, можно определять такие технологические параметры зоны барботажа, как количество пузырей и время взаимодействия.

В области атомной энергетики также уделяется внимание особенностям организации технологий с использованием процесса барботажа. Авторы работы [10] рассматривают применение перфорированных пластин в энергетических установках (ТЭС, АЭС) как распределительные устройства пара в парогенераторах, барабанах котлов и для диспергирования газа в жидкость в испарителях и выпарных аппаратах. Подобные конструктивные элементы принято еще называть ПДЛ (погружной дырчатый лист). Для точного моделирования гидродинамических процессов в таких системах критически важно уметь определять средний диаметр и распределение пузырей по размерам, которые зависят от физических свойств среды, геометрии ПДЛ и высоты двухфазного слоя.

Как правило, исследование применения ПДЛ производится опытным путем. Это связано с большой сложностью построения математических моделей. В статье [11] представлены экспериментальные исследования двухфазной гидродинамики погруженного дырчатого листа на стенде в пароводяной системе. Установлено, что при малых расходах пара (низкое паросодержание) коэффициент гидравлического сопротивления превышает значение для чистого пара, тогда как при высоких расходах (большое паросодержание) наблюдается обратная зависимость и коэффициент сопротивления становится ниже, чем для чистого пара при том же расходе. Экспериментальное исследование [12] пропускных свойств перфорированных горизонтальных пластин выявило, что сплошные конструкции наиболее эффективны на малых глубинах, но их эффективность снижается после критического порога. Установлено, что при нерегулярном волнении поле скоростей распределено равномерно, а глубина погружения минимально влияет на характеристики течения. Увеличение высоты волн и перфорации повышает придонную скорость. Определена корреляция между коэффициентом пропускания пластины и максимальной скоростью течения. В работе [13] экспериментально и численно исследованы гидродинамические нагрузки на двумерные перфорированные пластины 114

в двух параллельных конфигурациях с разными зазорами 0,14 и 0,29 ширины пластины. Сравнение экспериментов с вынужденными колебаниями и численного моделирования показало зависимость коэффициентов присоединенной массы и демпфирования от числа Кёлега-на - Карпентера (KC) при слабом влиянии периода колебаний. Наибольшие значения коэффициентов сил наблюдались при большем зазоре, при этом преобладала демпфирующая составляющая. В статье [14] исследовано поведение газового потока в сжимаемых и несжимаемых системах при комнатной температуре (воздух - вода) и рабочей температуре с использованием CFD-моделирования. Результаты верифицированы экспериментами в системе воз-дух-вода и эмпирическими уравнениями для прогнозирования длины проникновения. Моделирование в системе «воздух - вода» показало отклонения 7 - 8 % от эксперимента при использовании обеих моделей. При значениях ниже критического образуются пульсирующие пузыри вместо стабильной струи, что приводит к значительной недооценке длины проникновения. В работе [15] исследовано влияние диаметра и формы отверстия газораспределите-ля на поведение газовой фазы в барботажной колонне. Эксперименты проводились с плоскими отверстиями (0,5–3,0 мм) и игольчатыми соплами (0,5 и 1,0 мм). Методами высокоскоростной съемки и цифровой обработки изображений выполнены: контурный анализ пузырей, расчет газосодержания и площади поверхности газовой фазы на разных высотах колонны при различных расходах. Результаты показали, что меньшие диаметры отверстий обеспечивают большее газосодержание и поверхность контакта фаз в средней и верхней частях колонны, что указывает на лучшие показатели массо- и теплопереноса по сравнению с большими отверстиями. Автор [16] провел экспериментальное исследование на стенде по изучению течения двухфазного потока через погруженный дырчатый лист с перфорацией 5,7 %. Получены распределения перепада давления и паросодержания, определен коэффициент гидравлического сопротивления для двухфазного потока. Установлено, что поправочный коэффициент на двухфазность относительно однофазного потока пара превышает единицу при низких паросодержаниях и становится меньше единицы при высоких. В работе [17] разрабатывается расчетная программа, демонстрирующая изменение концентрации растворённого кислорода в воде в зависимости от времени подачи воздуха через перфорированную пластину с отверстиями 0,1 мм и 0,5 мм. На основе теоретических и экспериментальных данных делается вывод, что с уменьшением диаметра отверстий процесс аэрации воды становится более эффективным.

Обзор работ показал, что теплофизические и гидродинамические процессы двухфазной среды растительное «масло – азот» остаются малоизученной областью знаний. Проблема создания новых инженерных и технологических решений в масложировой отрасли может быть реализована при комплексном подходе решением совокупности задач теплофизики, гидрогазодинамики, механики и химии жиров. Обзор также показал, что геометрические условия при барботаже оказывают существенное, а в некоторых конструкциях определяющее влияние на структуру газожидкостной системы посредством дезинтеграции пузырей азота. В частности, применение ПДЛ над барботером оказывалось очень эффективным.

Цель работы – изучение температурной зависимости газосодержания двухфазной системы подсолнечное «масло - азот» от режимных параметров при барботаже регулируемой дезинтеграцией пузырей азота в зоне их отрыва от барботера, реализуемой при помощи ПДЛ.

Материалы и методы исследования

Диапазон температур исследуемых сред - 20-115 °С. Объектом исследования была двухфазная среда, состоящая из нерафинированного подсолнечного масла и газообразного азота. Подсолнечное масло выбрано в качестве жидкой среды для реализации системной научной программы исследований в связи с наибольшим объемом его производства в РФ по сравнению с другими растительными маслами. Нерафинированное подсолнечное масло в экспериментальной барботажной системе моделирует реальный технологический процесс в окончательном дистилляторе. Жирнокислотный состав определялся по ГОСТ 31663 и ГОСТ 31665 с помощью хроматографа Bruker Scion 436 GC. Использовалась капиллярная колонка: длина 30 м, диаметр 0,25 мм с активной фазой на основе полиэтиленгликоля. Показатели качества по содержанию жирных кислот в триглицеридах представлены в таблице (если литературные данные, то ссылка на источник).

Таблица Жирнокислотный состав нерафинированного подсолнечного масла

№	Наименование жирной кислоты	Условное обозначение	Содержание жирной кислоты, %
1	Миристиновая	С14:0	0,1
2	Пальмитиновая	С16:0	6,3
3	Пальмитолеиновая	С16:1	0,1
4	Стеариновая	С18:0	3,7
5	Олеиновая	С18:1	21,8
6	Линолевая	С18:2	66,5
7	Линоленовая	С18:3	0,1
8	Арахиновая	С20:0	0,3
10	Гондоиновая	С20:1	0,1
12	Бегеновая	С22:0	0,7
13	Эруковая	С22:1	0,1
14	Лигноцериновая	С24:0	0,2

На рисунке 1 представлен общий вид экспериментальной установки для изучения барботажа (БИУ2), которая подробно описана в нашей предыдущей публикации [18], подробнее приведем лишь некоторую дополнительную информацию.

Рисунок 1 – Экспериментальная установка

Рисунок 2 – Барботажный узел с ПДЛ в нижней части экспериментальной установки

Для регулирования поверхности контакта фаз за счет дополнительной дезинтеграции пузырей азота в зоне барботажа предусматривалась возможность установки ПДЛ в барботажной камере над барботером. На основе данных, представленных в литературных источниках, собственного опыта и проведенных предварительных экспериментов, а также расчетов массовых потоков в барботажной объеме были определены геометрические параметры конструкции ПДЛ, который представлял собой тонкий металлический диск диаметром близким к внутреннему диаметру барботажной камеры, с 35 отверстиями диаметрами по 2 мм (рис. 3). ПДЛ устанавливали выше барботера на расстоянии 35 мм горизонтально для обеспечения равномерной загрузки всех отверстий. При этом зазор между ПДЛ и стенкой барбо- тажной камеры составлял не более 1,5-2,5 мм, что обеспечивало свободное движение жидкости вокруг ПДЛ.

При использовании ПДЛ пузыри азота, поднимавшиеся вверх, встречали препятствие и подвергались вторичной гидродинамической обработке – дезинтеграции, регулируемой соотношением конструкционных элементов ПДЛ, после которой происходило формирование новой структуры двухфазной среды.

Экспериментальное исследование с ПДЛ в барботажной камере проводилось при одинаковых тепловых и гидродинамических параметрах жидкой среды, как и в случае без ПДЛ. Данные использованы из нашей работы [18].

Процедура эксперимента заключалась в следующем: вне рабочего участка в термостатируемом сосуде до заданной температуры в «мягком режиме» подогревалась порция подсолнечного масла (около 1400 мл), одновременно разогревалась до заданной температуры барботажная камера высотой 1100 мм и электроперегреватель азота. Затем в барботажную камеру с заданным расходом подавался подогретый газообразный азот, и после достижения промежуточного теплового равновесия барботажная камера заполнялась подсолнечным маслом до высоты 800 мм. После установления тепловой и гидродинамической стабилизации в барботажной камере проводились измерения параметров.

Определение газосодержания ϕ производили по отработанной ранее методике, подробно изложенной в нашей работе [18]. В конечном счете все сводится к определению величины уровня газожидкостной среды в барботажной камере h г-ж и уровня той же жидкости без подачи газа h ж при тех же условиях. Газосодержание вычисляли по формуле:

^ г-ж ^ ж

^ г-ж

ф =

При этом фиксировали следующие параметры: температуры в контрольных точках, давление в системе и расход газовой фазы.

Величина газосодержания ϕ отражает «мгновенный объем» газовой фазы в барботируемом слое жидкости. Газосодержание ϕ является важнейшей обобщающей характеристикой двухфазной системы, которая отражает количественные, геометрические и динамические параметры пузырей газовой фазы в барботажной камере. А также косвенно и время пребывания газовой фазы в обрабатываемой жидкости.

Результаты исследования и их обсуждение

Экспериментально была определена температурная зависимость газосодержания от расходов азота при изменении температуры от 20 до 115 °С и изменении расходов азота от 0,1 до 1,5 л/мин в присутствии ПДЛ, реализующего дезинтеграцию пузырей азота после их отрыва от барботера. Верхний уровень исследуемой жидкости составлял 0,8 м, что соответствует наиболее распространенному в промышленных дистилляционных аппаратах, в которых применяется барботаж. В качестве параметра, определяющего количественную характеристику расхода газовой фазы, использовался удельный расход азота – объемный расход, отнесенный к единице массы обрабатываемой жидкости с размерностью л/мин/ кг. Эта единица измерения более удобна при обработке результатов и построении зависимостей, так как используется в большинстве случаев практических инженерных расчетов элементов и узлов промышленного оборудования.

На рисунках 3-5 представлены зависимости газосодержания от удельного расхода газовой фазы, построенные по экспериментальным данным, полученным в опытах с ПДЛ. Для сравнения там же приведены результаты исследований аналогичных зависимостей с одинаковыми температурными и режимными условиями, представленных в [18].

а                                       б

Рисунок 3 – Зависимости газосодержания от удельного расхода азота при температурах подсолнечного масла: а - 20 °С; б - 50 °С

а                                       б

а

Рисунок 5 – Зависимости газосодержания от удельного расхода азота при температурах подсолнечного масла: а - 105 °С; б - 115 °С

Рисунок 4 – Зависимости газосодержания от удельного расхода азота при температурах подсолнечного масла: а - 75 °С; б - 95 °С

Удельный расход азота, (л/мин)/кг

• с ЦД Л • без ЦДЛ б

Также было проведено исследование распределения по размерам пузырей в контрольном объеме барботажной камеры. Оценка проводилась путем подсчета количества пузырей той или иной группы размеров по фотоизображениям. Характерная картина распределения показана на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема оценки диаметров пузырей на фотоизображениях

На рисунке 7 а представлены результаты обработки экспериментальных данных, относящихся к барботажной системе, снабженной ПДЛ, а на рисунке 7 б – без ПДЛ.

а

б

Рисунок 7 – Диаграммы, отражающие фракционный объемный состав пузырей: а - с применением ПДЛ; б - без применения ПДЛ

Экспериментально установлено, что применение ПДЛ положительно сказывалось на перераспределении пузырей по размерам в барботажной камере. Существенно уменьшалась доля сверхмалых пузырей диаметрами 1,0 - 1,5 мм, которые образовывались при столкновениях и распадах крупных пузырей с размером более 18 мм. Наблюдения показали, что такие пузыри, обладающие небольшой подъемной силой, легко увлекались токами жидкости и могли двигаться в барботажной камере в любом направлении хаотично, включая направление вниз. При этом характер их движения практически переставал соответствовать главной технологической характеристике барботажа – организованному движению газовой фазы, направленному вверх.

Как следует из рисунков 5 а, б, доля малых пузырей с диаметрами 1,5 - 7 и 7 - 12 мм увеличивалась. Это обеспечивало увеличение площади межфазного контакта и соответствующее снижение скорости всплытия пузырей, что приводило к росту времени взаимодействия фаз и интенсификации тепломассообмена. Причем экспериментальная зависимость увеличения скорости всплытия пузырей азота в подсолнечном масле пропорциональная увеличению размеров пузырей была установлена нами в отдельном исследовании.

Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что присутствие ПДЛ в конструкции барботажной камеры оказывает существенное влияние на газосодержание в двухфазной системе, увеличивая его в 1,3-1,6 раза. Тем самым применение ПДЛ будет способствовать интенсификации процессов тепломассообмена при обработке подсолнечного масла газообразными азотом за счет увеличения площади взаимодействия фаз, уменьшения размеров пузырей и соответственно скорости их всплытия, а значит времени взаимодействия.

Полученные экспериментальные данные, выполненные вычисления, сравнительный анализ позволят обоснованно сформулировать новую инженерную концепцию перспективного оборудования с применением ПДЛ для барботажных систем в масложировом производстве. Полученные данные пополняют знания о физических основах формирования гидродинамической обстановки барботажных процессов с вязкими жидкостями и применимы в других областях техники.