Calculul Tehnologic la Obtinerea Uleiului Vegetal de Floarea Soarelui

Capitolul 4

Calculul tehnologic la obținerea uleiului vegetal de floarea – soarelui

4.1. Tema și datele de proiectare

Pentru obținerea uleiului brut de floarea – soarelui se va prelucra o cantitate de 32000 kg de semințe de floarea-soarelui. Pentru prelucrare se cunosc următoarele date tehnologice:

conținutul de coajă ce rămâne în miez în urma decojiri este de 2,5;

conținutul de coajă botanică în semințe 13

conținutul de coajă existent în fracțiunea tehnologică numită coaja eliminată este 96,8

umiditatea inițială a semințelor este 13,7

după operația de uscare umiditatea semințelor este 4,8

conținutul de ulei din măcinătură de floarea-soarelui este 53

conținutul de ulei care rămâne în brochenul rezultat la presare 19

pentru recuperareauleiului din brochen, cesta este supus extracției cu benzina de extracție, iar conținutul de ulei din amestecul rezultat la extracție și denumit miscela este 38

randamentul operației de extracție 83

cantitatea de solvent care rămâne în șrot este 13 din cantitatea de solvent introdus la extracție

pierderile în timpul operației de măcinare 2, raportată la materia introdusă

impuritățile îndepărtate la curățirea semințelor reprezintă 3,5 din masa semințelor,

conținutul de ulei din semințe este 49.

În urma calcului realizat va rezulta:

cantitatea de ulei brut de presă și extracție;

randamentul de obținere a uleiului brut;

consumurile specific.

În partea de bilanț termic vom realiza dimensionarea tehnologică a unui schimbător de căldură cu plăci pentru răcirea uleiului de floarea-soarelui cu apă din etapa de rafinare chimică.

4.2. Bilanț de materiale

Curățire

Schema etapei de curățire este redată în figura 4.1. În această etapă intră semințele de floarea – soarelui care vor fi curățate, rezultând semințe curățate și impurități.

Figura 4.1. Schema etapei de curățire

Bilanțul de materiale pentru această etapă este redat conform relației:

(4.1)

unde:

S – semințe de floarea soarelui

Sc – semințe curățate

I – impurități

În această etapă, impuritățile reprezintă 3,5% din cantitatea de semințe introduse. Astfel pe baza relației (4.1) se va determina cantitatea de semințe curățate astfel:

Uscarea

Schema etapei de curățire este redată în figura 4.2. În procesul de uscare, apa este transportată din interiorul semințelor la suprafața exterioară a acestora, de unde este preluată cu ajutorul unui agent de uscare.

Figura 4.2. Schema etapei de uscare

Bilanțul de materiale pentru această etapă este redat conform relației:

(4.2.)

unde:

Sc– semințe curățate

Scu– semințe curățate și uscate

A – apa evaporată

Pe baza relației (4.2.) se va determina cantitatea de semințe curățate și uscate astfel, dar ținând cont de umiditatea inițială și finală.

Unde:

Ui

uf

Cu ajutorul relațiilor de mai sus se va calcula cantitatea de seminte curațate și uscate.

Cu ajutorul relație (4.2) se determina cantitatea de apă evaporată.

Decojire

Schema etapei de decojire este redată în figura 4.3. Procesul de descojire se realizează practic în 2 faze: separarea și detașarea cojii de miez si separarea cojilor din amestecul rezultat.

Figura 4.3.

Bilanțul de materiale pentru această etapă este redat conform relației:

(4.3.)

unde:

Scu – semințe curățate și uscate, (kg)

M – miez, (kg)

C – coajă, compusă din coajă botanică și

Cb – coajă botanică

Cm– coaja din miez

Cc– coaja din coaja

Conform datelor tehnologice se cunoaște că conținutul de coajă ce rămâne în miez în urma descojiri este 2,5% (Cc), iar conținutul de coajă botanică în semințe este 13% (Cb). În urma aplicării relației de bilanț de materiale se va calcula cantitate de coajă rezultată la descojire (C).

Apoi, aplicând relația (4.3) se va calcula cantitatea de miez rezultat (M).

Măcinare

Schema etapei de macinare este redată în figura 4.4.Este o operațieimportantăînprocesul de pregătirepentruextragereauleiului, prinaceastarealizându-se o rupere a membranelorșidestrămareastructuriioleoplasmeicelulare care conțineulei.

Figura 4.4.

Bilanțul de materiale pentru această etapă este redat conform relației:

(4.4.)

unde:

M – miez

P – pierderi la măcinare

m – măcinătura

Pe baza relației (4.4.) se va determina cantitatea de macinătură și pierderile la măcinare astfel:

P=

m = 0,98 M = 0.98 ∙ 24562,52

m = 24071,26 kg

Presare

Schema etapei de presare este redată în figura 4.5. Presarea măcinăturii oleaginoase prăjite este operația tehnologică de separare a uleiului din aceasta, cu ajutorul preselor, rezultând uleiul brut de presă și brochetul. Prin presare se poate realiza o separare a uleiului până la 80-85%, restul uleiului fiind separat ulterior prin extracție cu dizolvanți.

Figura 4.5.

Bilanțul de materiale pentru această etapă este redat conform relației:

(4.5.)

unde:

m – măcinatură

B – brochen

Up– ulei de presă

Pe baza relației (4.5.) se va determina cantitatea de brochen și ulei de presă astfel:

Extracție

Schema etapei de presare este redată în figura 4.6.În vederea extracției materialul oleaginos se amestecă cu dizolvantul, timp în care uleiul împreună cu dizolvantul formează miscela, iar ceea ce rămâne după extracție, adică materialul degresat, reprezintă șrotul.

Figura 4.6.

Bilanțul de materiale pentru această etapă este redat conform relației:

(4.6.)

unde:

BE – benzina de extractie

Mc – miscela

SR – șrot

B – brochen

Umc– ulei din miscela

Pe baza relației (4.6.) se va determina cantitatea de șrot astfel:

Pentru a determina cantitatea de ulei din miscela sde aplica relația următoare:

În tabelul 4.1 este prezentat bilanțul de materiale total.

Tabelul 4.1. Bilanțul de materiale total

4.3. Bilanțul termic. Calculul unui schimbător de căldură cu plăci

În această etapă vom realiza dimensionarea tehnologică a unui schimbător de căldură cu plăci pentru răcirea uleiului de floarea-soarelui cu apă din etapa de rafinare chimică. În figura 4.1. este redată schematic placa cu garnitură a schimbătorului de căldură. Iar în tabelul 4.1. sunt redate princialele caracteristici geometrice ale plăcilor cu garnituri.

Figura 4.1. Reprezentarea schematică a unei plăci cu garnituri

Principalele caracteristici geometrice ale unei plăci cu garnituri sunt redate în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. Caracteristicile geometrice ale plăcii cu garnituri

Mai jos este redată metoda de calcul al unui schimbător de căldură cu plăci conform metodei lui Kumar [RB].

Diametrul racordurilor se calculează conform relației:

[mm] (4.1.)

Lungimea plăci între racordurile de alimentare se calculează cu relația:

[mm] (4.2.)

Pasul de ondulare se calculeză cu relația:

[m] (4.3.)

Intervalul mediu de curgere este calclat cu relația:

[m] (4.4.)

Diametrul hidraulic este calculat cu relația:

[m] (4.5.)

Aria suprafeței proiectate este calculată cu relația:

( (4.6.)

Aria de transfer de căldură pe o singură placă se calculează astfel:

φ ( (4.7.)

Aria de transfer de căldură pe un canal se calculează cu relația:

( (4.8.)

Numărul de canale pe trecere se calculează cu relația:

(4.9.)

-numărul de canale pe trecere

-numărul total de plăci

-numărul de treceri pentru ambele fluide

Se calculează fluxul termică al agentului termic primar (fluidul cald) cu relația:

[W] (4.10.)

Unde:

– fluxul termic al agentului termic primar, uleiul brut (UB), [W]

– debitul agentului termic primar,uleiul brut [kg/s]

– căldura specifică masică a agentului temric primar, uleiul brut [J/kg ·0C]

– temperatura de ieșire a agentului primar, uleiul brut (UB), [0C]

– temperatura de intrare a agentului primar, uleiul brut (UB), [0C]

Se va calcula fluxul termic al agentului termic secundar (fluidul rece) cu relația:

[W] (4.11.)

Unde:

–

–

–

–

–

Se calculează coeficientul global de transfer de căldură de suprafață (experimental) cu ajutorul ecuației (4.12) de transfer de căldură:

[W/ (4.12.)

unde:

K – coeficientul global de transfer termic, [W/

– diferența medie logartimică a diferențelor de temperatură între fluide la cele două capete ale schiombătorului,

– aria totală de transfer de căldură, []

Randamentul termic se calculează cu relația:

[%] (4.13.)

unde:

–randament termic, [%]

Debitul masic pe un canal este calculat cu relația (4.14):

[Kg/s] (4.14.)

– debitul masic pe un canal al plăcii schimbătorului, (kg/s)

m – debitul masic al fluidelor, (kg/s)

Viteza de masă în canalul de curgere este dată de relația:

[Kg/ (4.15.)

–

–

– aria de curgere a unui canal, []

Se calculează criteriul de curgere Reynolds atât pentru fluidul cald, cât și pentru cel rece pe baza relației:

(4.16.)

-criteriul Reynolds

–

– vâscozitatea dinamică, (Pa s)

Se calculează criteriul Prandtl atât pentru fluidul cald cât și pentru cel rece cu relația:

(4.17.)

-criteriul Prandtl

– căldura specifica masică, (J/kg 0C)

– conductivitatea termică a flududului de lucru, (W/m· 0C)

Coeficientul parțial de transfer de căldură al fluidului cald, cât și pentru cel rece se calculează din criteriul Nusselt conform relației:

(4.18.)

-criteriul Nusselt

– coeficientul parțial de trnsfer termic, (W/m2 · 0C)

– diametru hidraulic, [mm]

Pentru regimul laminar rezultat, Kumar a propus următoarea relație de calcul a criteriului Nusselt funcție de criteriile Reynolds și Prandtl[RB, XY]:

(4.19.)

Unde:

Nu – criteriul Nusselt

Re – criteriul Reynolds

Pr – criteriul Prandtl

– simplexul care face corecția calculului ținând cont de variația viscozității pe direcție normală curgerii și considerând că vâscozitatea are o valoare medie, μ, în masa fluidului și o vâscozitate diferită la perete, μp, lucru ce nu poate fi neglijat în accepțiunea teoriei deoarece, în masa fluidului transferul de căldură are loc prin mecanism convectiv, în timp ce la perete, mecanismul este conductiv.

și n – constante.

Se vor analiza două cazuri:

Cazul 1. Când pentru simplificarea calculelor vom considera că raportul vâscozității dinamice a uleiului cu vâscozitatea la perete este egal cu unu,

Cazul 2. Când ținem cont de vâscozitatea la perete a uleiului de floarea-soarelui.

Se va calcula temperature la perete pe baza relației [XZ]:

(4.20.)

Temperatura medie logaritmică se calculează cu relația [RB,XZ]:

(4.21.)

Coeficientul global de transfer de căldură de suprafață (teoretic) fără depuneri se calculează cu relația [RB,XZ]:

[W/ (4.22.)

Pentru confecționarea plăcilor s-a utilizat oțel inox de tip AISI 304, a cărui conductivitate termică este = 16,2 [W/m,[RB].

Dacă ținem cont și de rezistențele termice specific ale depunerilor pe placă care apar în timpul funcționarii se va calcula coeficientul global cu relația următoare[RB].:

[W/ (4.23.)

În literatura de specialitate valoarea rezistențelor termice specifice ale depunerilor pentru ulei de floarea soarelui este de iar pentru apa tratată ,[RB].

Vom recalcula fluxul termic fără depuneri, respectiv cu depuneri conform relațiilor:

[W] (4.24.)

[W] (4.25.)

Erorile se calculează cu formulele:

% (4.26.)

% (4.27.)

Factorul corespunzător de curățenie se calculează cu relația:

(4.38.)

Factorul de siguranță este dat de relația:

(4.29.)

Căderile de presiune

Pentru fluidul cald cât și pentru cel rece coeficientul de frecare se calculează cu relația:

(4.30.)

unde:

f – coeficientul de frecare, adimensional

Kp, m – constante

Căderile de presiune pentru cele două fluide se calculează cu relația:

[Pa] (4.31.)

Căderile de presiune prin racordurile de intrare/admisie și ieșire/evacuare a fluidelor se calculează cu relația:

[Pa] (4.32.)

– numărul de treceri pentru fiecare fluid

– viteza de masă în racordurile de admisie și evacuare, [Kg/

Această viteză de masă se calculează cu relația:

(4.33.)

m – debitul total de intrare in record, kg/s

Căderile totale de presiune pentru fiecare fluid se calculează cu relația:

(4.34.)

Densitatea se calculează cu relația [referinta bibliografica]:

[Kg/] (4.35.)

SV – indice de saponificare,

IV – indicede iod,

T – temperatura, [ K ]

Vâscozitatea se calculeaza cu relația [referinta bibliografica]:

(4.36.)

T – temperatura, [ K ]

SV – indicede saponificare, (mg KOH/g probă)

IV – indicede iod, (g I2/ 100 g probă)

Vom analiză două cazuri:

Cazul 1. Când pentru simplificare vom considera că

Cazul 2.Căderile de presiune când ținem cont de vâscozitatea la perete a fluidelor.

În literature de specialitate sunt recomandate următoarele valori a constantelor si n, din relația de calcul a criteriului Nusselt care depind de caracteristicile curgerii și unghiul de ondulare al plăcii. Pentru Re > 10 și unghi de ondulare de 30° valorile constantelor sunt: iar pentru n = 0,663. Iar în cazul căderilor de presiune, pentru un unghi de ondulare de 30° si Re = 10 – 100, același autor recomandă următoarele valori pentru si m = 0,587. În cazul în care Re > 100, valorile constantelor sunt si m = 0,183 [RB].

Căldura specifică și conductivitatea termică pentru uleiul de floarea-soarelui se poate estima utilizând corelațiile obținute de Choi și Okos (1987). Pentru uleiul de floarea-soarelui se poate calcula căldura specifică și conductivitatea termică pentru clasa de substanță care intervine în formarea structurii acestuia, adică grăsimea, funcție de temperatură. Relațiile de calcul sunt următoarele [T,Y]:

[J/Kg] (4.37.)

[W/m] (4.38.)

În figura 3.2 este redată schema tehnologică de la degumare, neutralizare și spălare a uleiului vegetal.

Uleiul brut este pompat din rezervorul (1) și trecut prin filtrul (2) pentru filtrarea grosieră și apoi adus la schimbătorul de căldură (3) unde este încălzit de către uleiul fierbinte ce vine din instalația de albire. Dacă în acest schimbător de căldură nu s-a reușit încălzirea la temperatura de 90 0C a uleiului, acesta va fi încălzit în cel de al doilea schimbător de căldură (4) cu abur de joasă presiune (3 bar). Când uleiul atinge temperatura de lucru, el va curge către mixerul dinamic. În mixerul dinamic, alături de ulei se introduce și soluția de acid citric, după care amestecul este trimis la reactoare, unde timpul de reacție/amestecare pentru precipitarea fosfatidelor este de 20 minute. După răcirea amestecului, acesta curge spre mixerele statice. În mixerul static se introduce și apă pentru hidratarea și mărirea volumului fosfatidelor precipitate cu soluția de acid citric. Urmează apoi răcirea în schimbătorul de căldură (6) cu apă recirculată. Temperatura uleiului la ieșirea din acest schimbător este de 42 oC. Uleiul care iese din schimbătorul de căldură (6) cu temperatura de 42 oC, intră în mixerul (7) unde staționează aproximativ 60 minute pentru hidratarea fosfatidelor precipitate. După trecerea timpului de reacție, uleiul părăsește mixerul cu temperatura de 55 oC și este încălzit în schimbătorul de căldură (8), la temperatura de 85 oC cu abur de joasă presiune (3 bar) pentru uscare. Amestecul este apoi supus separării într-un separator centrifugal cu tole și autocurățire (9), de unde fosfatidele separate sunt direcționate în tancurile exterioare de depozitare (10), iar uleiul către reactorul de neutralizare (11). După separarea fosfatidelor, uleiul degumat este direcționat spre coloana de neutralizare a acizilor grași liberi. Reacția dintre soda caustică și acizii grași este instantanee, formându-se săpun. Amestecul ulei/săpun este trimis spre separatorul centrifugal (12) unde are loc separarea săpunului de ulei. Concentrația săpunului rezidual în ulei este de 800 ppm. Săpunul care s-a separat este pompat spre depozitare. Uleiul neutralizat este încălzit cu abur de joasă presiune (3 bar) la temperatura de 90 oC, într-un schimbător de căldură tubular cu manta (14). După încălzire, în ulei se introduce apă caldă cu temperatura de 90 oC în proporție de 8 – 12 % față de ulei, spălarea având loc într-un mixer static (15). Spălarea este necesară pentru eliminarea săpunului și a excesului de sodă caustică din uleiul neutralizat. Apa de spălare este îndepărtată din ulei în separatorul centrifugal. Săpunul în uleiul spălat trebuie să fie sub 200 ppm. Apele de spălare conțin urme de săpun, sodă caustică și accidental ulei care este recuperat prin decantare în decantorul (16), [XY].

Figura 4.2. Schema tehnologică a degumării, neutralizării și spălării uleiului [XY]

1 – tancul de depozitare a uleiului brut, 2 – filtru, 3 – preîncălzitor cu ulei albit, 4 – schimbător de căldură cu plăci, 5 – mixer, 6 – schimbător de căldură cu plăci cu apă recirculată; 7 – mixer; 8 – schimbător de căldură cu plăci; 9 – separator centrifugal cu tole și autocurățire; 10 – tanc de depozitare; 11 – reactor de neutralizare; 12 – separator centrifugal; 13 – tanc de depozitare; 14 – schimbător de căldură tubular cu manta; 15 – mixer static; 16 – tanc de depozitare.

În cazul schimbătorului de căldură cu plăci (6) curgerea are loc în contracurent cu aranjamentul “U”, cu o trecere pentru ambele fluide. În figura 3.3. este prezentată schematic acest tip de curgere pentru schimbătorul de căldură cu plăci.

Figura 3.3. Schema de curgere a schimbătorului de căldură cu plăci (6)

Caracteristicile geometrice principale ale schimbătorului de căldură (6) sunt prezentate în tabelul 3.2.

Tabelul 3.2. Caracteristicile geometrice ale schimbătorului de căldură cu plăcișigarniture

Proprietățile fizico-chimice pentru fiecare fluid în parte se determină la temperatura medie aritmetică între intrarea și ieșirea fiecărui fluid. Temperaturile de intrare și ieșire, precum și temperaturile medii aritmetice, pentru fiecare fluid care circulă în schimbătorul de căldură sunt redate în tabelul 3.3.

Tabelul 3.3. Temperaturile uleiului brut si a apei

În tabelul 3.4 sunt redate principalele valori ale proprietăților fizico-chimice ale fluidelor, calculate pe baza relațiilor prezentate pentru schimbătorul de căldură (6):

Tabelul 3.4. Proprietățile fizico-chimice ale uleiului brut (UB) și apă

În tabelul 4.5. sunt redate principalele proprietăți termofizice ale uleiului brut (UB), calculate cu ajutorul relațiilor (4.35) și (4.36).

Tabelul 4.5. Proprietățile termo-fizice ale uleiului brut (UB)

Pentru apă se vor citi din literatura de specialitate proprietățile termofizice [5].

Căldura specifică masică a uleiului se calculează astfel cu ajutorul relației (4.36.) iar pentru apă ecuația se determină grafic (anexa 1) și este:

1

Conductivitatea termică pentru ulei se calculează în felul următor cu relația (4.37.), iar pentru apă ecuația se determină grafic (anexa 1) și este:

Densitatea se calculează conform relatiei (4.37.):

Vâscozitatea dinamică se calculează astfel conform anexei 1 și 2 și relației (4.38.):

Se va calcula temperatura la perete pe baza relației (4.20.):

Vâscozitatea dinamică la perete se calculează cu relația:

Fluxul termic al agentului termic primar și secundar se calculează astfel conform relațiilor (4.10.) și (4.11.):

Coeficientul global de transfer se calculează cu relația (4.12.) și este:

Randamentul termic conform relației (4.13.) este:

Debitul masic pe canal se calculează cu relația (4.14.) și este:

Viteza de masă în canalul de curgere este dată de relația (4.15.) și este:

Se calculează criteriul de curgere Reynolds atât pentru fluidul cald, cât și pentru cel rece pe baza relației (4.16.):

Se calculează criteriul Prandtl atât pentru fluidul cald cât și pentru cel rece cu relația (4.17.):

Coeficientul parțial de transfer de căldură al fluidului cald, cât și pentru cel rece se calculează din criteriul Nusselt conform relației (4.18.).

Cazul 1. Când pentru simplificarea calculelor vom considera că raportul vâscozității dinamice a uleiului cu vâscozitatea la perete este egal cu unu,

Coeficientul global de transfer de căldură de suprafață (teoretic) fără depuneri se calculează cu relația (4.22.):

Dacă ținem cont și de rezistențele termice specifice ale depunerilor pe placă care apar în timpul funcționării se va calcula coeficientul global cu relația (4.23.):

Temperatura medie logaritmică se calculează cu relația (4.21.) și este:

Fluxul termic fără depuneri, respectiv cu depuneri, conform relației (4.26.) si (4.27.), este:

Erorile se calculează cu formulele (4.28.) și (4.29.) și sunt:

Factorul corespunzător de cărătenie se calculează cu relația (4.30.):

Conform relației (4.31.) factorul de siguranță este:

Cazul 2. Când ținem cont de vâscozitatea la perete a uleiului de floarea-soarelui.

Se calculează criteriul Nusselt pentru fluidul cald și cel rece cu relația (4.19.):

Coeficientul global de transfer de căldură de suprafață (teoretic) fără depuneri se calculează cu relația (4.22.):

Dacă ținem cont și de rezistențele termice specifice ale depunerilor pe placă care apar în timpul funcționarii se va calcula coeficientul global cu relația (4.23.):

Fluxul termic fără depuneri, respectiv cu depuneri este conform relației (4.26.)si (4.27.) este:

Erorile se calculează cu formulele (4.28.) și (4.29.) și sunt:

Factorul corespunzător de cărătenie se calculează cu relația (4.30.):

Conform relației (4.31) factorul de siguranță este:

Căderile de presiune

Pentru fluidul cald cât și pentru cel rece coeficientul de frecare se calculează cu relația (4.32.):

Cazul 1. Când pentru simplificarea calculelor vom considera că raportul este

Căderile de presiune pentru cele două fluide se calculează cu relația (4.33.):

Viteza de masă în racordurile de admisie și evacuare se calculează conform formulei (4.35.) astfel:

Căderile de presiune prin racordurile de intrare/admisie și ieșire/evacuare a fluidelor se calculează cu relația (4.34.) în felul următor:

Căderile totale de presiune pentru fiecare fluid se calculează conform relației (4.35.) astfel:

Cazul 2. Când ținem cont de vâscozitatea la perete a uleiului de floarea-soarelui

Căderile de presiune pentru cele două fluide se calculează cu relația (4.33.):

Căderile de presiune prin racordurile de intrare/admisie și ieșire/evacuare a fluidelor se calculează cu relația (4.34.) în felul următor:

Căderile totale de presiune pentru fiecare fluid se calculează conform relației (4.35.) astfel:

5.4. Concluzii parțiale

Plecând de la debitul de ulei , în urma calculului de bilanț termic au rezultat: , , .

Rezultatele calcului tehnologic al schimbătorului sunt prezentate în tabelul 4.2.

Tabelul 4.2. Centralizator al rezulatatelor schimbătorului de căldură

După cum se poate observa la un debit de este nevoie de un debit de pentru a realiza răcirea acestuia.

După cum vedem α în cazul 1 este mai mic decât α în cazul 2. S-a constatat că eroarea ER este mai mică la.

De asemenea se poate observa că și căderile de tensiune în cazul 2, sunt mai mari decât cele din cazul 1, .