Осуществить это возможно за счет «взрывного» характера расширения гранул на выходе из матрицы при интенсивном фазовом переходе, содержащегося в материале жидкого компонента.
Для обеспечения низких температур протекания процесса расширения экструдируемого материала предлагается использовать в качестве жидкого компонента двуокись углерода. Она вводиться в обрабатываемый материал в виде твердой фазы, смешиваясь под атмосферным давлением на входе экструдера [1]. Двуокись углерода специально вводится для достижения лучшего эффекта «взрыва» при подготовке материала к экстракции методом экструзии. При этом влага не учитывается, так как в данном случае ее влияние не существенно.
В экструдере при движении материала в винтовом канале происходит увеличение давления в предматричной зоне. В случае отсутствия устройств для отвода тепла, материал увеличивает свою температуру. При этом из-за увеличения давления и температуры на обрабатываемый материал происходит фазовый переход СО2 .
Важно оценить плотность смеси растительного материала и двуокиси углерода, находящейся в межчастичном пространстве обрабатываемого материала при режимах экструдирования (температуре и давлении).
Чтобы изучить изменение плотности смеси растительного материала и двуокиси углерода в жидкой и паровой фазе в шнековом канале экструдера примем рабочую температуру T=298 К и широкий диапазон изменения давления в докритической области.
Для расчетов фазовых превращений в такой системе рекомендуется применять кубическое уравнение состояния Ван-дер-Ваальса в виде:
(1)
где 
и 
Известно предложение [2] применять для описания поведения твердофазных материалов (полимеров) модифицированное уравнение состояния Ван-дер-Ваальса
(2)
где π - внутреннее давление (
, предполагается, что p не зависит от объема); ω - константа (ω=b).
С целью проверки применимости данного уравнения для моделирования поведения смесей растительного материала и двуокиси углерода преобразуем уравнение (2) к виду
(3)
и обработаем полученные экспериментальные данные по ромашке аптечной [3]. Результаты представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Зависимость удельного объема ромашки аптечной от давления.
- экспериментальные данные; 
- расчетные значения.
В начале был выполнены расчеты коэффициента сжимаемости при варьировании состава смеси и давления по уравнению (1).
Полученные данные по коэффициентам сжимаемости позволили выполнить расчеты плотности при варьировании состава смеси и давления для двух температур 298К и 308К. Результаты этих расчетов представлены на рисунках 2а и 2б.
|
а) |
б) |
Рисунок 2. Зависимость плотности от состава смеси растительный
материал - двуокись углерода и давления при температуре: а) 298К и б) 308К.
При обработке получены следующие значения коэффициентов уравнения (2): w=0,000357; R´T=0,137986; π=161,1565. Из рисунка 1 видна высокая точность описания, как экспериментальных значений, так и характера зависимости.
Для описания поведения смеси растительного материала с двуокисью углерода использовали уравнение состояния Ван-дер-Ваальса (1). При этом, следуя приведенному в работе [4] анализу фазовых
переходов в прессуемом материале вводили некоторые допущения [3].
Характер зависимостей на рисунках 2а и 2б совпадает и в указанном диапазоне существенного влияния температура не оказывает. Низкая плотность характерна для двуокиси углерода, и она резко возрастает уже при доле растительного материала в смеси 0,05-0,06. При низких давлениях с ростом доли растительного материала в смеси плотность даже несколько понижается, однако с ростом давления плотность смеси растет, особенно при повышении доли материала в смеси до предельных значений.
Полученная модель поведения смеси в виде уравнения состояния позволяет оценить значение коэффициента объемного расширения от давления
(4)
Для коэффициента объемного расширения от давления твердофазного растительного материала без подачи двуокиси углерода зависимость можно представить в виде
, бар-1 (5)
Выполненные расчеты по плотности смеси позволили рассчитать коэффициенты объемного расширения от давления. Аппроксимируя кубическими сплайнами расчетные данные по плотности и взяв производную и выполнив расчеты в соответствии с уравнением (4) получили возможность построить зависимости коэффициентов объемного расширения от состава смеси твердофазного растительного материала и двуокиси углерода при различных давлениях для двух температур 298К и 308К. Результаты расчетов представлены на рисунках 3а и 3б.
Для обеих температур характер зависимостей и значения коэффициентов объемного расширения, как видно из рисунков 3а и 3б, практически одинаковые. Наибольший рост коэффициентов объемного расширения отмечается с ростом доли растительного материала в смеси. С ростом давления отмечается некоторое снижение коэффициентов объемного расширения. С учетом связи αpv=αp3 и размерностей согласие с данными, полученными при испытании экструдера [3], хорошее.
|
а) |
б) |
Рисунок 3. Зависимость коэффициентов объемного расширения от состава смеси растительный
материал - двуокись углерода и давления при температуре: а) 298К и б) 308.
В результате проведенного моделирования получены численные значения основных параметров процесса деформирования смеси растительного материала и двуокиси углерода. Можно отметить, что при небольшой доли в смеси двуокиси углерода можно получить свойства, требуемые для ведения процесса экструдирования смеси с последующим ее расширением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Кошевой Е.П., Меретуков З.А., Меретуков М.А., Латин Н.Н. Установка для подготовки растительного материала к СО2 -экстракции. Свидетельство на полезную модель №36830. Бюллетень №9, 2004.
- Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов. Пер. с англ. М., Химия, 1965. -748 с.
- Меретуков З.А. Совершенствование подготовки растительного сырья к экстракции способом экструдирования. Автореф. Канд. Дисс. Майкоп, 2004. - 24 с.
- Корнильев Н. Б., Груздев И. Э. Гидродинамический анализ течения высоковязких пищевых масс в шнековом канале//Известия вузов. Пищевая технология. -1975. -№ 4. -С. 104-107.