<<
>>

5.2 Гидродинамические и электрохимические аспекты деминерализации сывороточных УФ-концентратов  

Для определения гидродинамических особенностей циркуляции растворов в камерах электродиализатора проведены эксперименты на воде и УФ-концентрате. Расчет средней скорости циркуляции растворов проводили по формуле (3.3.1).
При этом суммарная площадь поперечного сечения всех камер обессоливания электродиализатора примерно равнялась площади сечения соединительного патрубка на выходе с диаметром ?/=1,2-102 м.

В таблице 5.2.1 приведены средние значения периода заполнения единицы объема в зависимости от перепада давления для воды и УФ-концентрата (с массовой долей сухих веществ 18,7%) при температуре 20-25°С. По результатам расчетов на рисунке 5.2.1 показаца зависимость скорости циркуляции растворов от перепада давления.

Анализ графических зависимостей свидетельствует о переходе ламинарного режима в турбулентный. Вызывает интерес тот факт, что скорость циркуляции воды при одинаковым перепаде давления выше, чем у УФ-

138

концентрата, но переход режима течения (из ламинарного в турбулентный) у  нее  происходит  позднее.   Это,   несмотря   на  то,   что   вязкость   УФ-концентрата в четыре раза превосходит динамическую вязкость воды. Таблица 5.2.1 - Влияние перепада давления (АР) на период циркуляции единицы объема через электродиализную установку

ЛРЛО5, Па

Период циркуляции, с

ЛРЛО5, Па

Период циркуляции, с

вода

УФ-концентрат

вода

УФ-концентрат

0,1

42,5

47,9

0,8

7,7

11,0

0,2

17,8

26,2

1,0

6,8

9,5

0,3

15,1

19,5

1,2

6,35

9,0

0,4

1,1,8

16,8

1,4

5,8

7,5

0,6

8,8

13,0

1,6

5,53

7,2

Кажущуюся парадоксальность полученного результата можно объяснить тем, что белковые частицы играют роль естественных турбулизаторов, т.е.

образуют центры турбулентности при течении жидкости. Подтверждением этому может служить факт более короткого перехода из ламинарного в турбулентный режим течения УФ-концентрата, по сравнению с водой.

о

2

S

S S

1,6

я

S

1,2

и

(X

я

0,8

л

и

о

о

о,

0,4

о

«

и

0

„ "

1

.,-^

_ _ -"-1Z

_*gt; 2

lt;*¦

.-lt;?**

S

У

^

lt;/

0,2     0,4     0,6     0,8      1       1,2     1,4     1,6 Перепад давления, АР-10 , Па

Рисунок 5.2.1 - Изменение скорости циркуляции воды (1) и УФ-концентрата (2) с массовой долей сухих веществ 18,7% от перепада давления на электродиализаторе

139

Плавный переход из ламинарного режима в турбулентный в обоих случаях, по-видимому, обусловлен находящимися у входа в лабиринтный канал продольными решетками.

Такие решетки, играющие роль каркаса между мембранами, являются инициаторами турбулентности и не позволяют увидеть резкую грань при переходе течения от ламинарного к турбулентному.

Заслуживает особого внимания тот факт, что в прямоугольных лабиринтных каналах данной конструкции с соотношением сторон 11:1 критическая скорость для воды составляет 0,50-0,55 м/с тогда как для труб примерно такого же диаметра аналогичная величина составляет 1,3 м/с. Достижение таких скоростей в мембранных аппаратах не представляется сложным. В этой связи представляет интерес выявление критического числа Рей-нольдса как для воды, так и УФ-концентрата, которую определим по известной формуле.

С учетом размеров канала определим эквивалентный диаметр (t/=2,2T0"3 м) и, подставив вычисленные значения в формулу (3.3.2), получим Яекр=П00. Полученный результат в два раза ниже, чем для труб (ReKp=23QQ). Это согласуется с известными данными, которые получены для каналов прямоугольного сечения, с отношением сторон 2,83:1 (ReKp=\600).

Для возможности сравнения с ReKpУФ-концентратов необходимо определить плотность и динамическую вязкость. Значение вязкости и плотности определим из таблицы 4.2.1. Произведя подстановку и вычисления, получим ReKp=230. Следует отметить, что полученный результат определяет в целом только уровень значения ReKpи вероятнее, что он будет находиться в диапазоне чисел 200-250 для данной массовой доли сухих веществ. Такая погрешность обусловлена особенностью течения растворов в лабиринтных каналах прямоугольного сечения, неточностью определения значения скорости при переходе режимов и описания формулами условий течения в таких каналах, в результате которых получены завышенные значения вязкости концентрата и, как следствие, некоторые отклонения в ReKpи градиенте

140

скорости.

Сравнение ReKpдля воды и концентрата показывает, что критическое число Рейнольдса для УФ-концентрата с указанной массовой долей сухих веществ примерно в 5 раз меньше. Необходимо учесть, что для каждой конкретной формы извилистых щелевидных каналов существует некоторый диапазон «критических» значений Re, при которых происходит переход от ламинарного к турбулентному режиму течения.

При этом известно, что на значения ReKpсущественно влияют форма канала и поверхности стенок, а также форма входных отверстий. При различии в перечисленных условиях может измениться и величина ReKp, но в целом значительных колебаний для лабиринтных каналов с таким соотношением быть не должно. До некоторой степени в отклонении ReKpможет привести армировка мембран. Опыт работы с различными материалами подтверждает, что шероховатость и волнистость поверхности влияют на период, однако в целом отмечают независимость ReKpот встречающейся в практике шероховатости стенок канала, но сужение, расширение или изгиб оси существенно влияет на устойчивость течения.

Характеризуя течение жидкости в каналах такой прокладки, необходимо отметить, что его особенностью является периодическая дестабилизация потока, обусловленная наличием поворотов. Это приводит к местному отрыву пограничного слоя, и, следовательно, появлению вихревых областей у внешней стенки при выходе из колена и к образованию в колене парного вихря. Следовательно, причинами, способствующими более легкому переходу ламинарного режима в турбулентный, является генерирование возмущений на входе и при поворотах в канале.

При всем этом переход от ламинарного течения к турбулентному начинается у концентрата раньше, чем у воды. Одним из объяснений, по-видимому, может являться отмеченный в литературе факт о влиянии коллоидных частиц на возникновение турбулентного течения вследствие вращательного и поперечного движения таких частиц при больших значениях

141

градиента скорости. Такие эффекты особенно проявляются, если плотность частицы равна или превышает плотность жидкости. Для выявления справедливости предположения необходимы дальнейшие специальные исследования на каналах простейших форм, что обусловливает постановку и решение отдельной проблемы и не входит в задачу настоящих исследований.

Таким образом, относительно низкое значение ReKpпри циркуляции УФ-концентратов через гладкие каналы оказывает возможность принципиально нового подхода при их электродиализной обработке.

Повсеместно используемые в мембранных аппаратах турбулизирующие вставки, призванные снизить ReKp, резко повышают гидродинамическое сопротивление пакетов, способствуют образованию застойных зон и, в целом, не обеспечивают достаточного снижения концентрационной поляризации. В связи с этим за рубежом не практикуется электродиализная обработка УФ-концентратов с массовой долей сухих веществ выше 12%

Применение высокоскоростных режимов с использованием гладких каналов и с учетом свойств концентратов сывороточных белков, полученных методом ультрафильтрации, дает возможность прокачивать через мембранные аппараты значительно более концентрированные белковые растворы и достигать при этом желаемой степени турбулентности. Это очевидно учитывая то, что при увеличении температуры с 20 до 50°С вязкость концентратов уменьшается более чем в 2 раза, а, следовательно, увеличится возможность повышения сухих и азотистых веществ в обрабатываемом продукте.

Очевидно также, что показанная величина вязкости не ограничивает возможность циркуляции таких растворов в лабиринтных камерах электродиализатора, а увеличение концентрации белковых частиц до определенных значений будет способствовать интенсификации массообмена в примем-бранных слоях. Следовательно, это отразится на процессе электродиализа.

На рисунке 5.2.2 приведены зависимости плотности тока от напряжения на электродиализной установке в процессе деминерализации УФ-

142

концентрата с массовой долей сухих веществ 18,7% и температурой 20°С при различной скорости циркуляции в каналах камер обессоливания. Характерно, что даже для ламинарного режима течения предельное значения плотности тока наступает при величине 225 А/м2, о чем свидетельствует перегиб графика. При переходе к турбулентному режиму значение предельной плотности тока достигает 325 А/м2 при скорости циркуляции Уср=0,1м/с, а с нарастанием ее до 1,25 м/с становится равной порядка 450 А/м2. Увеличение скорости циркуляции растворов приводит к более плавному переходу в область предельного значения плотности тока.

Это можно объяснить замедленным настроением концентрированной поляризации в связи с быстрой сменой отдельных порций растворов в примембранных слоях, что обусловлено высокими градиентами скорости. Следовательно, деминерализация высокобелковых УФ-концентратов даже при температуре 20°С возможна при более высоких плотностях тока.

400 300 200 100 0

-gt; J

А

а

о н

ё

о

ж

о

С

2 1

0              20              40              60              80              100

Напряжение, В

Рисунок 5.2.2 - Зависимость плотности тока от напряжения в процессе деминерализации УФ-концентрата с температурой 20°С при скорости цирку-ляциии: 1 - 0,25 м/с; 2 - 0,7 м/с; 3-1,25 м/с

Учитывая взаимосвязь температуры и силы тока в процессе электродиализа, проведен эксперимент по определению зависимости плотности тока от температуры при фиксированном значении напряжения и скорости циркуляции растворов, которая приведена на рисунке 5.2.3. Величину напряжения фиксировали так, чтобы получить околопредельное значение

143

плотности тока. Концентрация в рассольной камере составляла 0,4% при всех случаях определения плотности тока.

Из рисунка видно, что значение плотности тока в обоих случаях, возрастает с повышением температуры. Увеличение температуры с 20 до 50°С приводит к нарастанию плотности тока примерно на 30%. Более высокое значение плотности тока при массовой доле сухих веществ в УФ-концентрате 10,4% обусловлено повышенной электропроводностью. Следовательно, повышение температуры приведет к значительному выигрышу в производительности электродиализного процесса. Таким образом, для УФ-концен'трата с массовой долей сухих веществ 18,7%) предельное значение плотности тока при скорости циркуляции 0,25, 0,7 и 1,25 м/с и температуре 50°С будет составлять примерно 300, 420 и 580 А/м2.

500

I

g 450

400 350

о

н

л н о о

300

я н о

с

^*2

^\

50

20              30              40

о Температура,  С

Рисунок 5.2.3 - Зависимость плотности тока от температуры обработки УФ-концентратов при скорости циркуляции 0,7 м/с с массовой долей сухих веществ: 1 - 18,7%; 2 - 10,4%

Полученные значения (уже при Г=0,7 м/с) превышают в 2 раза лимитированные показатели плотности тока при деминерализации сгущенной сыворотки в камерах электродиализатора с турбулизирующими вставками. Более низкие значения плотности тока, по сравнению с результатами, полученными Н.Я. Дыкало для сгущенной сыворотки, обусловлены уровнем содержания и составом ионогенных компонентов в УФ-концентрате [72].

Помимо значительного роста предельной плотности тока, важным

144

следствием использования высокоскоростных режимов циркуляции УФ-концентратов в гладких каналах электродиализатора при их деминерализации является отсутствие белковых и солевых отложений на поверхностях мембран. Это обусловлено возникновением сильных поперечных градиентов скорости и поведением в таких растворах высокомолекулярных частиц. Отсутствие блокирования мембран даже при условии концентрационной поляризации (что многократно подтверждалось экспериментами), повышает надежность и упрощает ведение деминерализации и безразборной мойки электродиализного оборудования. Создание промышленных образцов электродиализных установок с аналогичными характеристиками позволило бы снизить энергозатраты и увеличить производительность процесса деминерализации при высокой ее надежности и эффективности.

По результатам проведенных экспериментов сформулированы исходные требования на разработку ЭД-установки для промышленности.

 

<< | >>
Источник: Гаврилов Гавриил Борисович. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ МЕМБРАННЫМИ МЕТОДАМИ. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук. Ярославль -2006.. 2006

Еще по теме 5.2 Гидродинамические и электрохимические аспекты деминерализации сывороточных УФ-концентратов  :

  1. СОДЕРЖАНИЕ
  2. 5.2 Гидродинамические и электрохимические аспекты деминерализации сывороточных УФ-концентратов  
  3. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников