СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУР ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА УСТРОЙСТВ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОКА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются современные подходы к совершенствованию структуры гидродинамического потока в аппаратах, предназначенных для реализации массообменных процессов в технологии переработки молока. Проанализированы особенности молока как многофазной дисперсной системы, влияние режимов течения на интенсивность переноса вещества, а также конструктивные и расчетные методы оптимизации рабочих зон аппаратов. Показано, что целенаправленное формирование структуры потока позволяет повысить энергоэффективность оборудования, улучшить качество молочной продукции и обеспечить стабильность технологических режимов.

ABSTRACT

The article examines modern approaches to improving the structure of the hydrodynamic flow in apparatuses designed to implement mass transfer processes in milk processing technology. The features of milk as a multiphase dispersed system are analyzed, and the influence of flow regimes on the intensity of mass transfer is considered. Special attention is paid to constructive and computational methods for optimizing the working zones of the apparatuses. It is shown that purposeful formation of the flow structure makes it possible to increase the energy efficiency of equipment, improve the quality of dairy products, and ensure the stability of technological operating modes.

Ключевые слова: гидродинамика, массообмен, структура, поток, технология, внедрение, эффективность, качество, количество, питательность, технологический процесс, рабочая зона

Keywords: hydrodynamics, mass transfer, structure, flow, technology, implementation, efficiency, quality, quantity, nutritional value, technological process, working zone.

Введение. На сегодняшний день в мире наблюдается высокий рост производства различных видов молочных продуктов, являющегося одним из ведущих направлений индустрии продуктов питания. Массообменные процессы на предприятиях молочной промышленности относятся к числу наиболее сложных и энергоёмких. В связи с этим внедрение интенсивных способов переработки, создание современной техники и технологий имеет важное научно-практическое значение [4].

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям по подготовке сырья, процессам переработки и развитию производства молочных продуктов, а также созданию оборудования, отвечающего современным требованиям. В частности, проводятся научные исследования, направленные на изучение гидродинамических структур потоков и разработку высокоэффективных методов и аппаратов для реализации массообменных процессов [4; 7].

Переработка молока является одной из наиболее наукоёмких и технологически сложных отраслей пищевой промышленности. Повышенные требования к качеству продукции, энергетической эффективности оборудования и экологической безопасности в значительной степени зависят от организации гидродинамических потоков в массообменных аппаратах [5].

Под массообменными процессами в молочной промышленности понимаются процессы переноса компонентов между фазами или внутри жидкости: диффузия растворённых веществ, дегазация, экстракция, мембранная фильтрация, сорбция, а также процессы тепломассообмена при пастеризации и выпаривании [4; 5]. Эффективность указанных процессов определяется структурой потока, характеризуемой распределением скоростей, давлений и концентраций компонентов.

Несовершенная структура потока приводит к образованию застойных зон, каналированию потока, локальным перегревам и неравномерности концентрационных полей, что снижает эффективность оборудования и ухудшает качество молочной продукции [4; 6].

Физико-химические и реологические особенности молока как среды течения. Молоко представляет собой сложную полидисперсную систему, включающую в себя водную фазу, жировую эмульсию, белковые коллоиды, лактозу и минеральные соли [10]. С точки зрения гидродинамики молоко при технологических температурах (10–80 °С) ведёт себя близко к ньютоновской жидкости, однако его эффективная вязкость изменяется в зависимости от температуры, жирности и степени механической обработки [10].

Наличие жировых шариков и белковой матрицы делает молоко чувствительным к высоким градиентам скорости и интенсивной турбулентности. Чрезмерные сдвиговые напряжения могут вызывать разрушение структуры жировой фазы, денатурацию белков и ухудшение органолептических свойств продукта. В то же время недостаточная турбулентность приводит к утолщению пограничных слоёв и снижению коэффициентов массообмена [5; 10].

Таким образом, при организации гидродинамического режима необходимо обеспечивать оптимальный баланс между интенсивностью перемешивания и сохранением природной структуры продукта. Это требует разработки специальных конструктивных решений аппаратов и применения методов направленного формирования структуры потока [4; 5].

Основные типы гидродинамических структур в аппаратах переработки молока

В устройствах молочной промышленности можно выделить несколько характерных типов структур гидродинамического потока:

Ламинарная структура. Характеризуется упорядоченным слоистым течением, при котором перенос массы происходит преимущественно за счёт молекулярной диффузии. Такие структуры характерны для малых скоростей и высоковязких сред. Их недостатком является низкая интенсивность массообмена.

Переходная структура. Возникает при увеличении числа Рейнольдса и сопровождается появлением локальных вихревых образований. Для ряда процессов эта структура является оптимальной, так как сочетает умеренную турбулентность и сравнительно низкое гидравлическое сопротивление.

Турбулентная структура. Характеризуется хаотическим движением частиц жидкости, развитием вихревых структур и высоким уровнем турбулентной энергии. Такая структура обеспечивает высокие коэффициенты массообмена, однако может приводить к механическому повреждению целостности продукта и росту энергозатрат.

Рациональное управление переходами между этими составами является ключевой задачей при совершенствовании аппаратов массообменных процессов [5].

Конструктивные методы совершенствования структуры гидродинамического потока. Совершенствование структуры потока достигается за счёт целенаправленного изменения геометрии рабочих каналов и внедрения дополнительных элементов управления потоком.

Направляющие и турбулизирующие элементы. Введение в проточную часть аппаратов винтовых вставок, статических смесителей, перфорированных пластин и направляющих лопаток позволяет формировать упорядоченные вихревые потоки. Такие элементы способствуют разрушению пограничного слоя, интенсификации диффузионного переноса и повышению равномерности распределения концентраций по сечению канала.

Оптимизация формы каналов. Перспективным направлением является применение каналов переменного сечения, спиральных и криволинейных траекторий движения потока. Плавные расширения и сужения уменьшают гидравлические потери, а криволинейные участки способствуют развитию вторичных течений, повышающих интенсивность массообмена без резкого роста энергозатрат [3; 7; 9].

Поверхностные микроструктуры. Нанесение микрорельефа на внутренние поверхности каналов позволяет управлять развитием пограничного слоя. Такие структуры способствуют раннему переходу к упорядоченной турбулентности и увеличивают эффективность переноса вещества вблизи стенок.

Влияние структуры потока на основные массообменные процессы в переработке молока. Массообменные процессы играют ключевую роль в формировании свойств молочных продуктов. Структура гидродинамического потока определяет скорость протекания этих процессов и их энергетическую эффективность.

Мембранные процессы. В установках ультрафильтрации и микрофильтрации формирование благоприятной структуры потока снижает эффект концентрационной поляризации, предотвращает образование гелевого слоя на поверхности мембраны и увеличивает её производительность.

Процессы дегазации и деаэрации. Для удаления растворённых газов эффективны структуры потока, обеспечивающие развитую поверхность контакта фаз и устойчивое обновление пограничных слоёв. Управляемая вихревая структура потока значительно интенсифицирует эти процессы.

Выпаривание и концентрирование. При вакуум-выпаривании структура потока определяет равномерность нагрева и интенсивность переноса влаги. Рационально организованное течение предотвращает локальные перегревы и снижает вероятность пригорания продукта.

Экспериментальная часть: математическое и компьютерное моделирование структуры гидродинамического потока. Современное совершенствование аппаратов невозможно без использования методов вычислительной гидродинамики (CFD). Математические модели, основанные на уравнениях Навье–Стокса и уравнениях конвективно-диффузионного переноса, позволяют предсказать распределение скоростей, давлений и концентраций [2; 6; 9].

Применение моделей турбулентности (k–ε, k–ω, LES) даёт возможность анализировать структуру вихрей, толщину пограничного слоя и степень перемешивания. На основе результатов моделирования разрабатываются оптимальные конструкции аппаратов и режимы их работы [2].

Рисунок 1. Результаты компьютерной моделирование массообменных процессов в элементах аппарата

На рисунке 1 приведены результаты исследования гидродинамических структур потоков в процессе переработки молока в программе SolidWorks. На основе полученных результатов можно определить застойные зоны аппарата и модернизируемые части, осуществляющие необходимые процессы.

Энергоэффективность и экологические аспекты. Совершенствование структуры потока позволяет снизить гидравлические потери и, следовательно, энергозатраты на перекачку продукта. Дополнительным эффектом является уменьшение образования отложений на стенках оборудования, что снижает потребность в агрессивных моющих средствах и уменьшает нагрузку на очистные сооружения.

Рациональная гидродинамика способствует также снижению потерь сырья и уменьшению отходов производства, что имеет большое значение с точки зрения устойчивого развития молочной промышленности.

Перспективные направления развития рассматриваемой отрасли. К перспективным направлениям относятся: разработка интеллектуальных систем управления структурой потока, использование адаптивных элементов конструкции, способных изменять свою геометрию в зависимости от режима работы, а также интеграция датчиков потока с цифровыми двойниками оборудования.

Особое значение приобретает применение аддитивных технологий для изготовления сложно профильных каналов и внутренних элементов, что открывает новые возможности для управления структурой гидродинамического потока [2].

Заключение. Совершенствование структур гидродинамического потока в устройствах массообменных процессов переработки молока является комплексной научно-технической задачей. Рациональное формирование режимов течения и внедрение конструктивных инноваций позволяют значительно повысить эффективность массообменных процессов, снизить энергозатраты и улучшить качество готовой продукции. Дальнейшее развитие данного направления связано с внедрением цифровых методов проектирования и интеллектуальных систем управления технологическими процессами.

Список литературы:

1. Нарзиев М.С., Хабибов Ф.Ю., Шарипов Н.З. Математическая модель и принцип регулирования процесса экстракции растительного сырья с применением сжиженного газа // XI Техника и технология пищевых производств: сб. тез. и докл. 20–21 апреля, 2017. — Могилев. — С. 69–70.
2. Нарзиев М.С., Ҳабибов Ф.Ю. Определение парциальных давлений легколетучих компонентов в паровой фазе при дистилляции мисцеллы хлопкового масла // XI Техника и технология пищевых производств: сб. тез. и докл. 20–21 апреля, 2017. Могилев. — С. 82–83.
3. Нарзиев М.С., Ҳабибов Ф.Ю., Каримова Д.С. Разработка системы управления процессом окончательной дистилляции мисцеллы хлопкового масла на основе адекватной математической модели // Интеграция современных научных исследований в развитие общества: междунар. науч.-практ. конф. 28–29 декабря 2016. Кемерово. — Т.I.— С.41–44.
4. Третьяков В.Ф., Рогов И.А. Процессы и аппараты пищевых производств: учебник для вузов. — М.: Колос, 2010. — 656 с.
5. Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N. Transport Phenomena. — 2nd ed. — New York: John Wiley & Sons, 2007. — 905 p.
6. Heldman D.R., Lund D.B. Handbook of Food Engineering. — 2nd ed. — Boca Raton: CRC Press, 2007. — 768 p.
7. McCabe W., Smith J., Harriott P. Unit Operations of Chemical Engineering. — 7th ed. — New York: McGraw-Hill, 2005. — 1140 p.
8. Mulder M. Basic Principles of Membrane Technology. — Springer, 2007.
9. Versteeg H.K., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. — 2nd ed. — Harlow: Pearson Education, 2007. — 503 p.
10. Walstra P., Wouters J. T. M., Geurts T. J.Dairy Science and Technology. - 2nd ed. — Boca Raton: CRC Press, 2006. — 808 p.