Математическое моделирование процесса сорбции винной кислоты на ионообменных смолах Костюченко, Юрий Николаевич

Введение к работе

*

Актуальность работы. Винная кислота широко применяется п пищевой промышленности, являясь ценным продуктом питания. Наличие значительных ресурсов виннокислых соединений, потребность промышленности в винной кислоте, а также сложность, многостаднйность и несоответствие существующего производства кристаллической винной кислоты экологическим нормам делают актуальной проблему извлечения винной кислоты из продуктов переработки винограда ионообменным способом. Разработку и внедрение в промышленность этого способа сдерживают слабая изученность механизма процесса и недостаточно развитая теорій.

В связи с этим актуальна задача дальнейшего развития теории ионообменных процессов, разработки комплексного математического описания (учитывающего термодинамику и массообмен в твердой и жидкой фазах, структуру потоков и скорость химической реакции) и метода расчета основной стадии процесса ионообменного извлечения пищевой винной кислоты - стадии сорбции.

Требуемые при разработке математической модели кинетические и равновесные зависимости для системы раствор винной кислоты - анионит отсутствуют. В связи с этим возникает необходимость экспериментального определения недостающих физико-химических и кинетических параметров системы, а также разработки надежных методов анализа.

Цель п задачи исследования. Цель настоящей работы состоит в развитии теоретических основ и разработке математического описания процесса сорбции винной кислоты неподвижным слоем ионита, получении равновесной зависимости для системы водный раствор винной кислоты - анионит в хлор-форме, разработке математической модели процесса н выработке рекомендаций по совершенствованию техіюлопіческои схемы получения пищевой винной кислоты и оборудования для ее реализации.

Для Достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка, апробация и использование методики электрохимического и ускоренного апидиметрического определения содержания винной кислоты в модельных смесях и реальных растворах.

* Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту кандидату технических наук, доценту Косаневу В.А. за существенную помощь в работе.

1. Изучение равновесия в системе водный раствор винной кислоты - ионообменная смола АН-31 в хлор-форме.

2. Исследование кинетических зависимостей с целью получения необходимых для реализации модели данных.

3. Выбор уровня математического описания массообмена между частицами ионообменной смолы и потоком жидкой фазы.

4. Разработка математического описания процесса сорбции винной кислоты

ЧйСПЩеЙ ї;Ої;ООбмЄЇЇНОЙ СМОЛЬ! На ОСНОНЄ МО^пСЛИ С не^їїаГИ^^ЮУ** япґ\г>м И^ЛИ

подвижной реакционной границей.

6. Разработка комплексной математической модели сорбции винной кислоты неподвижным слоем анионита в хлор-форме, с учетом разной доступности активных центров частиц ионообменной смолы, равновесия и донасыщення отработанного слоя.

7. Идентификация и проверка адекватности математической модели реальному процессу периодической сорбции винной кислоты неподвижным слоем ионита.

8. 'Разработка рекомендаций по совершенствованию технологической схемы получения пищевой винной кислоты и оборудования для ее реализации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

-развиты теоретические основы ионного обмена применительно к процессу сорбции винной кислоты неподвижным слоем ионита;

-на основе модели с нереагирующим ядром или подвижной реакционной границей разработано математическое описание массообмена между частицами ионообменной смолы и потоком жидкой фазы, сформулированное в виде краевой задачи;

-обоснована квазихимическая природа установления равновесия, показано, что сорбция протекает с образованием на неподвижном активном центре кислой соли винной кислоты;

-разработана математическая модель процесса сорбции винной кислоты неподвижным слоем анионита в хлор-форме, учитывающая разную доступность активных центров в частице ионообменной смолы, равновесную зависимость обменной емкости от концентрации наружного раствора и явление донасыщення реакционного обвема, происходящее в результате изменения обменной емкости;

-разработана упрощенная математическая модель сорбции винной кислоты,

последовательно оценено влияние двух механизмов сорбции, равновесия и донасыщения на точность описания. Упрощенная модель использована для расчета структуры технологической схемы;

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что на основе проведенных исследований:

-разработаны, апробированы и использованы при обработке экспериментальных данных методики электрохимического и ускоренного ацидиметрнчес-кого определения концентрации винной кислоты;

-получены и обобщены данные по равновесию в системе водный раствор винной кислоты - анионит АН-31 в хлор-форме;

-уточнено значение коэффициента внутренней диффузии винной кислоты в ионообменной смоле;

-разработаны рекомендации по совершенствованию технологической схемы получения пищевой винной кислоты и оборудования для ее реализации.

Апробация работы. Диссертация связана с научными исследованиями Кубанского Государственного технологического университета, выполняемыми по госбюджетной теме 2.14.001 "Разработав научных основ, принципов и методов повышения эффективности технологических процессов и качества продуктов в пищевой промышленности с использованием новых физико-химических методов воздействия".

Основные положения диссертации доложены на международной научной конференции "Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности" (Россия, г. Краснодар, 1994 г.), международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Россия, г.Тверь, 1995 г.), Всесоюзной конференции молодых ученых по экстракции (г. Донецк, 1990 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Новые исследования молодых ученых и специалистов в области масложировой промышленности" (г. Ленинград, 1991 г.) и на VIII конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 60-летию образования МТИПП (г. Москва. 1991г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 10 печатных работ и получены 2 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, вьгаодов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 'О/ страницах основного текста, содержит 20 рисунков и 46 таблиц.