Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем современной пищевой промышленности является задача разделения и концентрирования растворов различного назначения и, в частности, молочных сред. Использование для этих целей мембранных методов позволяет получать пищевые продукты в большем ассортименте и лучшего качества, что выгодно отличает их от традиционных процессов. Однако типовые мембранные аппараты и установки характеризуются невысокой производительностью, что сдерживает их распространение.
Созданные в последнее время мембранные аппараты, использующие отвод поляризационного слоя, имеют большую производительность и меньшую энергоемкость, что создает благоприятные условия для их широкого внедрения. В месте с тем, производительность таких аппаратов по отводимому концентрату все еще невысока, и это снижает эффективность их применения. В этой связи, одной из важнейших является задача совершенствования новых мембранных аппаратов и создание установок на их основе. Существенную роль в ее решении играет математическое моделирование мембранных процессов. Однако имеющиеся на сегодняшний день математические модели касаются либо типовых мембранных методов и не могут быть использованы для описания работы оборудования нового типа, либо моделируют стационарные процессы на плоскости или в полубесконечном канале, что является достаточно серьезным упрощением, снижающим их адекватность реальному процессу. В целом, это оказывает негативное влияние на техническое совершенствование и промышленное внедрение дппа-ратов нового типа. В связи с этим, актуальной задачей является создание нестационарных математических моделей, способных описывать как процесс фильтрации через мембрану, так и образование на ее поверхности поляризационного слоя, обогащенного растворенным веществом.
Цель и задачи исследований. Целью работы является математическое моделирование и разработка мембранных аппаратов и установок, использующих отвод поляризационного слоя для интенсификации процесса мембранного концентрирования молочных сред.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
численное исследование стационарной модели ультрафильтрации
с учетом гелеобразования на поверхности мембраны с помощью
конечно-разностных методов;
разработка нестационарной математической модели мембранного концентрирования;
создание комплекса программ для проведения численных расчетов процессов мембраного разделения;
разработка мембранного аппарата с отводом поляризационного слоя и установки на его основе;
РОС НАЦИОНАЛЬНА*! БИБЛИОТЕКА і
і — —*^
разработка методики инженерного расчета мембранной установки для
ультрафильтрации молочных сред.
Научная новизна. Для решения стационарной математической модели ультрафильтрации с учетом гелеобразования на поверхности мембраны применены конечно-разностные численные методы с использованием итерационных схем, сходящихся для произвольных начальных данных. С их помощью исследовано влияние на процесс основных технологических параметров. Разработана нестационарная пространственная математическая модель ультрафильтрации молочных сред, позволяющая рассчитывать производительность мембраны по фильтрату и определять концентрацию отводимого поляризационного слоя. Получены уравнения регрессии, описывающие зависимость концентрации сухих веществ в отводимом поляризационном слое от температуры, давления и скорости движения жидкости, для обезжиренного молока и творожной сыворотки. Определены их рациональные параметры.
Практическая значимость. Алгоритмы, использованные в процессе анализа плоской стационарной модели фильтрации, в частности, методы ускорения сходимости решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений и переноса граничных условий с бесконечности на границу конечной области, могут быть применены в других задачах, связанных с анализом пограничного слоя. Разработан комплекс программ, на основе которого создан инженерный расчет мембранной установки непрерывного действия. Разработана новая конструкция мембранного аппарата с отводом поляризационного слоя и схема установки непрерывного действия на её основе, техническая новизна которых защищены двумя патентами РФ. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедрах вычислительной математики КемГУ и процессов и аппаратов пищевых производств КемТИПП.
Автор защищает:
методы численного исследования плоской стационарной модели ультрафильтрации с учетом гелеобразования на поверхности мембраны;
нестационарную пространственную модель фильтрации высокомолекулярных органических соединений;
разработанный комплекс программ, для проведения численных экспериментов;
новую конструкцию мембранного аппарата, схему и компоновку установки непрерывного действия.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
на II и III региональных научно-практических конференциях «Информационные недра Кузбасса», Кемерово, 2002г., 2003г.;
на международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию Омского аграрного университета, Омск, 2003г.;
на XLII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2004г;
на IV региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 50-летию КемГУ, Новокузнецк, 2004г;
на Международной конференции по вычислительной математике, Новосибирск, 2004г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ. Из них 1 в центральной печати, 3 депонированных рукописи, 2 патента РФ, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений, включает 57 рисунков и 8 таблиц. Основной текст изложен на 130 страницах машинописного текста. Список литературы включает 139 наименований.
