Влияние наложения низкочастотных механических колебаний на эффективность экстрагирования

Экстрагирование наложением поля механических колебаний протекает в условиях турбулентного движения сплошной фазы. Перенос целевого компонента реализуется за счет хаотического перемещения элементарных вихрей совместно с макроскопическими объемами жидкой среды [3,5]. При этом уменьшаются или полностью устраняются застойные зоны в аппарате, а также увеличивается коэффициент массообмена, зависящий от относительной скорости движения твердых частиц и жидкости и в значительной степени от активной поверхности [1].

Энергия колебательного движения, как правило пропорциональна произведению амплитуды колебаний А на их частоту n. Согласно закону сохранения энергии Аn = const. Очевидно, что частота колебаний обратно пропорциональна их масштабу [2]. При наложении механических колебаний в упругой среде развиваются пульсации различных масштабов, при этом крупномасштабные переходят в мелкомасштабные, то есть возникает иерархия колебаний. Чем меньше масштаб колебаний, тем большую турбулизацию потока вызывают они в устье капилляров. За счет такой гидродинамической обстановки в большей степени интенсифицируются не только внешняя, но и внутренняя диффузия.

Материалы и методы

Нами изучен способ интенсификации процесса экстрагирования с помощью низкочастотных механических колебаний в случае, когда колебательное движение совершает аппарат с подсырной сывороткой, содержащей взвешенные твердые частицы люпина. Сложность такой ситуации определяется сочетанием двух режимов: инерционного режима вследствие колебаний подсырной сыворотки и взвешенного состояния частиц.

Опыты проводились на лабораторных установках с подводом к двухфазной среде энергии извне в виде низкочастотных механических колебаний, источником которых являлся электромагнитный (рисунок 1) и механический привод с эксцентриковым устройством (рисунок 2) .

Экстрактор состоит из станины 1 , на которой закреплялся электромагнит 2 и плоские пружины 3 . К пружинам 3 крепилась цилиндрическая подвижная платформа 4 с резиновым ковриком 5 на ее днище, а также фиксирующий диск 6 с отверстиями, расположенными по окружности для установки в них стаканов 7 с пробками. В фиксирующем диске 6 концентрично устанавливался нагревательный элемент 10 .

Рисунок 1. Общий вид (а) и схема экспериментальной установки (б): 1 – станина; 2 – электромагнит; 3 – плоские пружины; 4 – подвижная платформа; 5 – резиновый коврик; 6 – фиксирующий диск; 7 – стеклянный стакан с пробкой; 8 – сырье; 9 – экстрагент; 10 – нагревательный элемент; 11 – крепление нагревательного элемента; 12 – термопара; 13 – универсальный измеритель ОВЕН 2ТРМ; 14 – частотный преобразователь; 15 – автотрансформатор; 16 – тумблер включения установки; 17 – сигнальная лампа включения

Figure 1. Main view (a) and experimental setup (b): 1 – frame; 2 – solenoid; 3 – flat spring; 4 – movable platform; 5 – the rubber Mat; 6 – locking disc; 7 – glass beaker with a stopper; 8 – raw material; 9 – extractant; 10 heater; 11 – fastening of the heating element; 12 – thermocouples; 13 – meter universal ARIES 2ТРМ; 14 – frequency Converter; 15 – autotransformer; 16 – switch setting; 17 – signal lamp turn

Опыты проводились следующим образом. В подвижную платформу 4 заливалась вода. Измельченный люпин и экстрагент (подсырная сыворотка) загружались в стаканы 7 , которые закрывались пробками. После этого включались в работу нагревательный элемент 10 , затем электромагнит 2 . Заданная температура воды в подвижной платформе поддерживалась постоянной в процессе экстрагирования. Она измерялась термопарой и контролировалась измеритель-регулятором ОВЕН 2ТРМ1.

Частота вибрации задавалась частотным преобразователем и рядом фиксированных значений амплитуд. Соотношение твердой и жидкой фаз в экстракторе составляло 1:5–1:6. Опыты проводились при температуре 40–60 °С, частоте колебаний от 30 до 40 кол/с, амплитуде от 1 до 6,5 мм.

Частицам люпина предварительно придавалась форма крупки. Пробы экстракта отбирались через интервалы времени от 1 до 5 мин специальным шприцем. В отобранных пробах определялась массовая доля сухих веществ.

Ряд опытов проводились на установке (рисунок 2) , отличающейся тем, что колебания обеспечивались приводом от электродвигателя 18 . Привод включал в себя, кроме электродвигателя, клиноременную передачу 19 , регулируемое эксцентриковое устройство 20 , шатун 21 , микрометрический измеритель 22 . Эксцентриковое устройство вместе с шатуном сообщало возвратнопоступательное движение в вертикальном направлении платформе 4 (рисунок 1, b).

Частота колебаний изменялась в заданном диапазоне с помощью электродвигателя переменного тока 18 и реостата. Для замера амплитуды колебаний использовалось микрометрическое устройство 22 .

Рисунок 2. Экстрактор с механическим приводом: 1 – электродвигатель; 2 – клиноременная передача;

3 – регулируемое эксцентриковое устройство; 21 – шатун; 4 – микрометрическое устройство

Figure 2. Extractor with mechanical operation: 1 – motor; 2 – belt transmission; 3 – adjustable eccentric device; 21 – connecting rod; 4 – a micrometric device

Идентичность приведенных ниже результатов исследований, выполненных на обеих установках, дают основание считать эти результаты достоверными.

В процессе исследования текущая концентрация экстрактивных веществ С 1 находилась из уравнения материального баланса [4].

С = С н + в • ( С 0 - c ) ; в = Mm_n I p W ,

где Сн – начальная концентрация целевых компо- нентов в экстрагенте; С – текущая концентраций целевых компонентов в экстрагенте; С – начальная концентрация целевых компонентов в порах частиц; С – осредненная концентрация целевых компонентов в порах частиц в каждый момент времени; М – масса твердой частицы; m„ - объемная доля пор; p - плотность частиц материала до загрузки в аппарат; W – объема экстрагента; в — коэффициент массоотдачи.

Результаты и обсуждение

Наблюдалось нарастание концентрации экстрактивных вещество во времени, причем оно было интенсивнее с увеличением частоты колебаний (рисунок 3 –5) . Использование турбулентной пульсации при экстрагировании из люпина позволило увеличить выход целевых компонентов за счет создания активных гидродинамических явлений вблизи отверстия капилляра. Наложение механических коллебаний на систему приводит к снятию диффузионного барьера с поверхности твердой фазы и выравниванию концентраций веществ в подсырной сыворотке.

Рисунок 3. Кинетические кривые извлечения экстрактивных веществ из люпина при механических колебаниях n, кол/с: 1 – 3; 2 – 6; 3 – 10; А = 5,5 мм; t = 50 °С; форма тела – крупка

Figure 3. Kinetic curves of extraction of extractives from lupine in mechanical oscillations n, number/s: 1 – 3; 2 – 6; 3 – 10; A = 5.5 mm; t = 50 °C; body shape – crumb

Рисунок 4. Кинетические кривые извлечения экстрактивных веществ из люпина при механических колебаний (без учета содержания СВ в подсырной сыворотке), n, кол/с: 1 – 3; 2 – 6: 3 – 10; А = 5,5 мм; t = 50 °С; форма тела – крупка

Рисунок 5. Кинетические кривые изменения концентрации экстрактивных веществ в люпине (истощающее экстрагирование) при механических колебаниях механических) n, кол/с: 1 – 3; 2 – 6; 3 – 10; А = 5,5 мм; форма тела – крупка

Figure 4. Kinetic curves of extraction of extractives from lupine when mechanical vibrations (excluding the DM content in cheese whey), n, number/s: 1 – 3; 2 – 6: 3 – 10; A = 5.5 mm; t = 50 °C; body shape – crumb

Figure 5. Kinetic curves of changes in the concentration of extractives in lupine (exhaustive extraction) in mechanical vibrations mechanical) n, number/s: 1 – 3;

2 – 6; 3 – 10; A = 5.5 mm; body shape – crumb

Применение выбранного метода интенсификации приводит к ускорению процесса (до 2,5 раз). Общая закономерность, которая была установлена в результате экспериментального исследования, следующая. С увеличением частоты колебаний продолжительность процесса сокращается и выход экстрактивных веществ существенно увеличивается. Влияние роста амплитуды не оказывает столь значительного влияния на изменение указанных показателей. Интенсивность колебаний составляла от 3 до 260 мм/с. В последнем случае выход экстрактивных веществ для частиц в виде крупки равнялся 25 %, а продолжительность процесса 18 мин.

Вследствие наложения механических колебаний на поверхности и в порах твердой фазы возникают колебания давления, относительных скоростей, а также концентраций. В итоге создаются максимально возможные для исследо-

ванного процесса градиенты этих параметров.

Хаотическое движение совокупности частиц твердой фазы в экстракторе подтверждалось поведением меченых частиц люпина. В результате рассмотрения интенсивности хаотического движения сплошной и диспергированной фаз Протодьяконовым с соавторами получено соотношение [6]:

_I 2 _fi

I

2 pi

1 +

2 J

^d^г 27 v

где I fi и I pi – интенсивности хаотического движения сплошной (жидкой) и диспергированной (твёрдой)

фаз; у - отношение плотностей твердой и жидкой фаз; λ i – некоторые постоянные; d – размер дисперсной частицы; ν – вязкость жидкости.

Отмечается, что коэффициент турбулентной диффузии каждой из фаз пропорционален интенсивности хаотического движения соответствующей фазы. Поэтому формула (3) позволяет оценить отношение коэффициентов турбулентной диффузии жидкой и диспергированной фаз в аппарате.

В нашем случае отношение плотностей γ = ρ т /ρ ж > 1. Физический смысл заключается в том, что если плотности твердой и жидкой фаз разнятся, то следует ожидать некоторого увеличения относительной скорости их движения, что приведет к увеличению коэффициента массопередачи. Интенсивность хаотического движения фаз не будет одинаковой, равно как и коэффициенты турбулентной диффузии.

Заключение

Таким образом, применение предлагаемого процесса экстрагирования позволяет обеспечить максимальное извлечение целевых компонентов из сырья растительного происхождения, интенсифицировать процесс экстрагирования, причем степень интенсификации в поле низкочастотных колебаний определяется скоростью пульсирующих потоков при развитой турбулентности. При этом увеличивается поверхность контакта фаз твердое тело – жидкость. Происходит снятие диффузионного барьера за счет увеличения относительных скоростей движения в двух-фазной системе и активизируется поверхность массопередачи.