Аппаратурное оформление процесса экстрагирования масла из куколок тутового шелкопряда в поле центробежных сил

АННОТАЦИЯ

В статье представлены методика инженерного расчета и аппаратурное оформления полупромышленной установки для извлечения масла из куколок тутового шелкопряда в поле центробежных сил.

ABSTRACT

The article presents a method of engineering calculation and hardware design of a semi-industrial installation for extracting oil from silkworm pupae in the field of centrifugal forces.

Ключевые слова: куколки тутового шелкопряда, экстрагирование, растворитель, насос, гидроциклон, центробежный, извлечения, масличность, эксперимент, исследования, методика, инженерный, расчет, аппаратурное, оформления, полупромышленная, установка.

Keywords: silkworm pupae, extraction, solvent, pump, hydrocyclone, centrifugal, extraction, oil content, experiment, research, technique, engineering, calculation, instrumental, design, semi-industrial, installation.

Анализ современного технического уровня экстракционных аппаратов в масложировой промышленности свидетельствует, что в существующих непрерывных аппаратах процесс экстрагирования при встречном движении взаимодействующих потоков организуются в основном в поле сил гравитации. При обработке мелкодисперсных продуктов, как крупка куколок тутового шелкопряда в поле силы тяжести, возникают значительные трудности, связанные с невозможностью организации противоточного потока мелкодисперсных продуктов – вследствие уноса мелких частиц встречным потоком. При укрупнении же размеров частиц скорость диффузионных процессов падает.

Всё это свидетельствует о злободневности создания и высокоэффективной установки для экстрагирования масла из мелкодисперсной крупки куколок тутового шелкопряда с применением энергии центробежного поля.

В данной главе описывается разработанная нами полупромышленная дискретно-противоточная установка, излагается методика инженерного расчета предлагаемой установки, и приводятся результаты расчета экономической эффективности от реализации разработок диссертации.

Эффективность экстрагирования в системе «твердое тело-жидкость» во многом определяется схемой взаимодействия технологических потоков, реальной гидродинамической обстановкой в аппарате. Конструкция экстрактора должна обеспечивать максимальную производительность, способствовать полному извлечению вещества, получению конечной продукции высокого качества, полностью исключить или свести к минимуму такие нежелательные явления, как продольное перемешивание, слеживаемость материала, байпасирование, неравномерность скоростей потоков по сечению аппарата.

В настоящее время разработано большое количество аппаратов для извлечения целевого компонента из твердых пористых материалов растительного происхождения, отличающихся друг от друга конструктивными и технологическими параметрами.

Анализ свидетельствует о недостаточной их эффективности вследствие низкой производительности, большой энерго- и металлоемкости и нарушений гидродинамических условий взаимодействия технологических потоков.

Исходя из вышесказанного, при разработке методики инженерного расчета и аппаратурном оформлении полупромышленной установки принято следующее:

- определяющим конструктивным признаком является способ и направление транспортировки материала и растворителя;

- среди технологических признаков основным выступает способ контактирования взаимодействующих фаз.

Основным рабочим узлом разрабатываемой установки является гидроциклон, где одновременно протекают процессы экстрагирования масла и механическое разделение жидкой и твердой фаз. 

Расчёт гидроциклонов сводится к определению его геометрических размеров, размеров улавливаемых частиц и мощности.

Исходные данные для расчета конструктивных размеров установки: производительность установки, напор насосов, гидромодуль (соотношение обрабатываемого продукта и растворителя). На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований число ступеней установки принимается равным четырем. Первая ступень предназначена для выдержки экстрагируемого материала, а остальные три ступени - для одновременного разделения и извлечения масла в поле центробежных сил [2].

Следовательно, основным исходным параметром первой ступени является время выдержки, а остальных ступеней - производительность установки.

Время выдержки продукта после электромагнитного воздействия, необходимое для исчерпывающего извлечения масла, определяется экспериментальным путем. По известному времени выдержки, и производительности установки рабочий объем гидроциклона определяется из выражения:

                                                                                 (1)

где V_cek  - производительность установки по суспензии, м ³/с; t - время выдержки, с.

Расход суспензии с плотностью r_с через подводящий патрубок, диаметр, которого d_вх при перепаде давления в циклоне Dp можно определить по формуле:

                                                                   (2)

где m_о - коэффициент расхода.       

Введем в правую часть этого уравнения диаметры циклонов D и нижнего патрубка d. Получим

                                                                   (3)

          Число              

                                                             (4)

Введя в уравнение (4.3) коэффициент

                                                                        (5)

получим расчетную формулу для расхода суспензии:

                                                              (6)

Из опытных данных следует, что =0.5.

Из уравнения (5) определяется диаметр нижнего отводного отверстия. Неизвестный диаметр гидроциклона в этой формуле определяется из выражения

                                                                  (7)

Диаметр входного отверстия определяется по формуле

                                                           (8)

Диаметр сливной трубы определяется по формуле

                                                                 (9)

Скорость потока суспензии в гидроциклоне можно разложить на составляющие (скорость среды w, радиальную v_r и осевую v_z), значения  которых являются функцией давления в аппарате p, расстояния от центра гидроциклона r и высоты z:

                                                       (10)

 причем, установлена зависимость

Движение  частиц в гидроциклоне должно быть описано с учётом  действия архимедовых сил

                                                           (11)

При осаждении в поле центробежных сил силой тяжести и архимедовой силой можно пренебречь. Для определения продолжительности следует сопоставить действие центробежной силы  и сопротивление среды .

При этом  окружную  скорость  потока удобно выразить через угловую  , а  скорость   осаждения   (равную радиальной скорости  ) как производную пути по времени ( ).

Если осаждение характеризуется законом Стокса (), из потока выделяются наиболее мелкие частицы. При   имеем

                                         (12)

Разделим переменные и выполним интегрирование

                                             (13)

                                                   (14)

Максимальный размер частиц, уходящих со сливом, определяется по

следующей эмпирической формуле:

                                                     (15)

По результатам выполненных нами в МП "ТАДКИКОТ" расчетов изготовлены чертежи и техническая документация и создана полупромышленная установка для извлечения масла в поле центробежных сил, схема которой представлена на рис. 1[1].Исходный экстрагируемый материал и мисцелла из последующей ступени установки поступают в смеситель 1, откуда в виде потока циркулирующей мисцеллы через трубки с электромагнитным аппаратом 2 направляются в гидроциклон 4. Последний предназначен для выдержки обрабатываемого продукта в течение определенного времени, необходимого для полного извлечения масла из твердых частиц крупки. Предварительно омагниченный чистый растворитель поступает в последнюю ступень установки.

Рисунок 1.  Полупромышленная дискретно-противоточная установка:

     1 - инжекционный смеситель; 2 – электромагнитный аппарат; 3 – насос; 4 , 5, 8 – гидроциклон; 6, 7 – смесители

Таким образом, соблюдается противоточное движение экстрагируемого материала и растворителя в аппарате. Движение материала и растворителя внутри одной ступени установки прямоточное. Для увеличения соотношения мисцеллы и экстрагируемого материала поток выделенной мисцеллы в гидроциклоне 5 рециркулируется насосом 3, тем самым повышается скорость суспензии, что позволяет организовать необходимое для максимального разделения смеси центробежное поле.Между ступенями установки установлены смесители 6, 7, выполненные в виде тройника, служащего для перемешивания потоков. Обезжиренный шрот в виде сгущенной смеси с мисцеллой из гидроциклона 8 направляется на дальнейшую обработку. Крепкая мисцелла, очищенная в гидроциклоне 4 от твёрдых частиц накапливается в сборнике и направляется на дистилляцию.

Список литературы:

1. Б.Т. Хамидов, К.У. Сокиева, А.О. Жабборов. Экстрагирование масла из мелкодисперсных маслосодержащих материалов// Молодой ученый. — 2018. — № 25 (211). — С. 148-151.
2. Сарболаев Ф.Н., Хамидов Б.Т. Исследование процесса экстрагирования масла из куколок тутового шелкопряда в поле низкочастотных вибрационных колебаний // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2019. № 11 (68).