Вязкостное пальцеобразование в условиях сверхкритической флюидной экстракции

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В работе исследуется вопрос вязкостного пальцеобразования в условиях сверхкритической флюидной экстракции масла из молотого высокомасличного растительного сырья. Концентрационный профиль фильтрующегося раствора является решением уравнения реакции-диффузии и представляет собой бегущую волну. Ширина зоны, на которой осуществляется основной перепад концентрации, много меньше высоты аппарата. С использованием малого параметра строится разложение пограничного слоя в окрестности фронта концентрации, и исследуется гидродинамическая устойчивость поверхности, разделяющей зону истощения и насыщенную зону. В рамках метода нормальных мод получено дисперсионное соотношение. Определены ограничения на гидродинамические параметры, при которых фронт остается устойчивым к малым возмущениям.

About the authors

А. А. Саламатин

ФИЦ Казанский научный центр РАН; Казанский (Приволжский) федеральный университет

Author for correspondence.
Email: arthur.salamatin2@gmail.com

Институт механики и машиностроения

Russian Federation, Казань; Казань

А. С. Халиуллина

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: arthur.salamatin2@gmail.com
Russian Federation, Казань

М. В. Калинина

Казанский государственный энергетический университет

Email: arthur.salamatin2@gmail.com
Russian Federation, Казань

References

  1. Гумеров Ф.М. Сверхкритические флюидные технологии. Экономическая целесообразность. Казань: Издательство Академии наук РТ, 2019.
  2. Гумеров Ф.М., Хайрутдинов В.Ф., Зарипов З.И. Дополнительное условие эффективности сверхкритического флюидного экстракционного процесса // Теорет. основы хим. технологии. 2021. Т. 55. № 3. С. 273. [Gumerov F.M., Khairutdinov V.F., Zaripov Z.I. An additional condition of efficiency of the supercritical fluid extraction process // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. V. 55. № 3. P. 348.]
  3. Касьянов Г.И. Итоги научных исследований обработки растительного и животного сырья диоксидом углерода // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2007. Т. 298. С. 79.
  4. Касьянов Г.И. Технологические основы СО2-обработки растительного сырья. М.: Россельхозакадемия, 1994.
  5. Товбин Ю.К. Методы моделирования химических процессов при повышенных давлениях и теория неидеальных реакционных систем // Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. С. 736. https://doi.org/10.31857/S0040357123060192 [English].
  6. Рютин С.Б., Скрипов П.В. Теплоперенос в сверхкритических флюидах: coгласование результатов импульсных и стационарных опытов // Теплофизика высоких температур. 2021. Т. 59. С. 203. https://doi.org/10.31857/S0040364421010129. [Rutin S., Skripov P. Heat transfer in supercritical fluids: reconciling the results of pulse and stationary experiments // High Temperature. 2021. V. 59. № 2. P. 245.]
  7. Саламатин А.А., Хазиев Р.Ш., Макарова А.С., Иванова С.А. Кинетика экстракции биологически активных веществ из растительного сырья кипящим растворителем // Теорет. основы хим. технологии. 2015. Т. 49. С. 206. [Salamatin A.A., Khaziev R.S., Makarova A.S., Ivanova S.A. Kinetics of bioactive compounds extraction from plant material using boiling solvent // Theor. Found. Chem. Eng. 2015. V. 49. https://doi.org/10.1134/S0040579515020116]
  8. Халиуллина А.С., Хазиев Р.Ш., Саламатин А.А. Количественное определение дитерпеновых кислот в листьях шалфея лекарственного // Журнал аналитической химии. 2017. Т. 72. С. 681. [Khaliullina A.S., Khaziev R.S., Salamatin A.A. Quantitative determination of diterpene acids in garden sage leaves // J. Anal. Chem. 2017. V. 72. P. 810. https://doi.org/10.1134/S1061934817070073]
  9. Мешалкин В.П., Кулов Н.Н., Гусева Т.В., Тихонова И.О., Бурвикова Ю.Н., Бхимани Ч., Щелчков К.А. Наилучшие доступные технологии и зеленая химическая технология: возможности сближения концепций // Теорет. основы хим. технологии. 2022. Т. 56. С. 670. https://doi.org/10.31857/S0040357122060124 [English].
  10. Fiori L., Basso D., Costa P. Seed oil supercritical extraction: Particle size distribution of the milled seeds and modeling // J. Supercrit. Fluids. 2008. V. 47. P. 174. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2008.08.003
  11. Fiori L. Supercritical extraction of sunflower seed oil: Experimental data and model validation // J. Supercrit. Fluids. 2009. V. 50. P. 218. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2009.06.011
  12. Özkal S.G., Yener M.E., Bayındırlı L. Mass transfer modeling of apricot kernel oil extraction with supercritical carbon dioxide // J. Supercrit. Fluids. 2005. V. 35. P. 119. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2004.12.011
  13. Salgin U., Korkmaz H. A green separation process for recovery of healthy oil from pumpkin seed // J. Supercrit. Fluids. 2011. V. 58. P. 239. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2011.06.002
  14. del Valle J.M., De La Fuente J.C. Supercritical CO2 Extraction of Oilseeds: Review of Kinetic and Equilibrium Models // Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2006. V. 46. P. 131. https://doi.org/10.1080/10408390500526514
  15. del Valle J.M. Extraction of natural compounds using supercritical CO2: Going from the laboratory to the industrial application // J. Supercrit. Fluids. 2015. V. 96. P. 180. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2014.10.001
  16. Егоров А.Г., Саламатин А.А. Оптимизационные задачи в теории сверхкритической флюидной экстракции масла // Известия вузов. Математика. 2015, Т. 59. С. 59 [Egorov A.G., Salamatin A.A. Optimization problems in a theory of supercritical fluid extraction of oil // Russ. Math. 2015. V. 59. P. 48. https://doi.org/10.3103/S1066369X15020073]
  17. Salamatin A.A., Egorov A.G. Optimization of supercritical fluid extraction: Polydisperse packed beds and variable flow rates // J. Supercrit. Fluids. 2015. V. 105. P. 35. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2015.01.013
  18. Fiori L., Calcagno D., Costa P. Sensitivity analysis and operative conditions of a supercritical fluid extractor // J. Supercrit. Fluids. 2007. V. 41. P. 31. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2006.09.005
  19. del Valle J.M., Uquiche E.L. Particle size effects on supercritical CO2 extraction of oil-containing seeds // J. Am. Oil Chem. Soc. 2002. V. 79. P. 1261. https://doi.org/10.1007/s11746–002–0637–9
  20. Goto M., Roy B.C., Hirose T. Shrinking-core leaching model for supercritical-fluid extraction // J. Supercrit. Fluids. 1996. V. 9. P. 128. https://doi.org/10.1016/S0896-8446(96)90009-1
  21. Salgin U., Döker O., Çalimli A. Extraction of sunflower oil with supercritical CO2: Experiments and modeling // J. Supercrit. Fluids. 2006. V. 38. P. 326. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2005.11.015
  22. Döker O., Salgin U., Şanal I., Mehmetoǧlu Ü., Çalimli A. Modeling of extraction of β-carotene from apricot bagasse using supercritical CO2 in packed bed extractor // J. Supercrit. Fluids. 2004. V. 28 P. 11. https://doi.org/10.1016/S0896-8446(03)00006-8
  23. Максудов Р.Н., Егоров А.Г., Мазо А.Б., Аляев В.А., Абдуллин И.Ш. Математическая модель экстрагирования семян масличных культур сверхкритическим диоксидом углерода // Сверхкритические флюиды Теория и практика. 2008. Т. 3. С. 20.
  24. Саламатин А.А., Егоров А.Г., Халиуллина А.С. Характерные масштабы процесса сверхкритической флюидной экстракции // Теорет. основы хим. технологии. 2022, Т. 56. С. 615. doi: 10.31857/S0040357122050207 [Salamatin A.A., Egorov A.G., Haliullina A.S. Characteristic Scales of the Supercritical Fluid Extraction Process // Theor. Found. Chem. Eng. 2022. V. 56. P. 742. https://doi.org/10.1134/S0040579522050384]
  25. Саламатин А.А. Оценка влияния конвективной диффузии на кинетику сверхкритической флюидной экстракции из бидисперсных зернистых слоев // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2016. Т. 11. С. 41. [Salamatin A.A. Estimation of the Axial Dispersion Effect on Supercritical Fluid Extraction from Bidisperse Packed Beds // Russ. J. Phys. Chem. B. 2017. V. 11. P. 1180. https://doi.org/10.1134/S1990793117070156]
  26. Roy B.C., Goto M., Hirose T., Navaro O., Hortacsu O. Extraction Rates of Oil from Tomato Seeds with Supercritical Carbon Dioxide // J. Chem. Eng. JAPAN. 1994. V. 27. P. 768. https://doi.org/10.1252/JCEJ.27.768
  27. Саламатин А.А., Егоров А.Г., Максудов Р.Н., Аляев В.А. Интерпретация кривых выхода извлекаемых компонентов при сверхкритической флюидной экстракции // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. С. 74.
  28. Саламатин А.А., Халиуллина А.С. Повышение информативности экспериментов в процессе сверхкритической флюидной экстракции // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2021. Т. 16. C. 92. https://doi.org/10.34984/SCFTP.2021.16.2.011 [Salamatin A.A., Khaliullina A.S. Increasing the Informativeness of Supercritical Fluid Extraction Experiments // Russ. J. Phys. Chem. B. 2021. V. 15. P. 1320. https://doi.org/10.1134/S1990793121080170]
  29. Salamatin A.A. Supercritical Fluid Extraction of the Seed Fatty Oil: Sensitivity to the Solute Axial Dispersion // Ind. Eng. Chem. Res. 2020. V. 59. P. 18126. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c03329
  30. Egorov A.G., Salamatin A.A. Bidisperse Shrinking Core Model for Supercritical Fluid Extraction // Chem. Eng. Technol. 2015. V. 38. P. 1203. https://doi.org/10.1002/ceat.201400627
  31. Егоров А.Г., Саламатин А.А., Максудов Р.Н. Прямые и обратные задачи сверхкритической экстракции из полидисперсного зернистого слоя растительного материала // Теорет. основы хим. технологии. 2014. Т. 48. С. 43. https://doi.org/10.7868/S0040357114010011 [Egorov A.G., Salamatin A.A., Maksudov R.N. Forward and inverse problems of supercritical extraction of oil from polydisperse packed bed of ground plant material // Theoretical Foundations of Chemical Engineering // 2014. V. 48. P. 39.]
  32. Саламатин А.А., Халиуллина А.С. Оценивание параметров модели процесса сверхкритической флюидной экстракции методом Монте-Карло // Теорет. основы хим. технологии. 2022. Т. 56. С. 72. https://doi.org/10.31857/S0040357121060117. [Salamatin A.A., Haliullina A.S. Evaluation of Supercritical Fluid Extraction Model Parameters by Monte-Carlo Methods // Theor. Found. of Chem. Eng. 2022. V. 56. P. 69.]
  33. Sovová H., Kučera J., Jež J. Rate of the vegetable oil extraction with supercritical CO2–II. Extraction of grape oil // Chem. Eng. Sci. 1994. V. 49. P. 415. https://doi.org/10.1016/0009-2509(94)87013-6
  34. Tan C.T., Homsy G.M. Stability of miscible displacements in porous media: Rectilinear flow // Phys. Fluids. 1986. V. 29. P. 3549. https://doi.org/10.1063/1.865832
  35. Homsy G.M. Viscous fingering in porous media // Annual Review of Fluid Mechanics. 2003. V. 19. P. 271. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.FL.19.010187.001415
  36. Немати А., Саффари Х., Вамерзани Б.З., Азизи Р., Хоссейналипур С.М., Мири Х. Численный анализ неустойчивости вязкостного пальцеобразования при вытеснении жидкости, смешивающейся с вытесняющей жидкостью // Прикладная механика и техническая физика. 2020. Т. 61. С. 46. https://doi.org/10.15372/PMTF20200406 [Nemati A., Saffari H., Vamerzani B.Z., Azizi R., Hosseinalipoor S.M., Miri H. Numerical analysis of viscous fingering instability due to miscible displacement // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2020. V.61. P. 539.]
  37. Kim M.C., Pramanik S. Miscible viscous fingering in a packed cylindrical column: Theory and numerics // Phys. Rev. Fluids. 2023. V. 8. P. 013901. https://doi.org/10.1103/PHYSREVFLUIDS.8.013901/FIGURES/16/MEDIUM
  38. Hill S. Channeling in packed columns // Chem. Eng. Sci. 1952. V. 1. P. 247–253. https://doi.org/10.1016/0009-2509(52)87017-4
  39. De Wit A. Chemo-Hydrodynamic Patterns and Instabilities // Annu. Rev. Fluid Mech. 2020. V. 52. P. 531–555. https://doi.org/10.1146/ANNUREV-FLUID-010719-060349/CITE/REFWORKS
  40. Scoffoni J., Lajeunesse E., Homsy G.M. Interface instabilities during displacements of two miscible fluids in a vertical pipe // Phys. Fluids. 2001. V. 13. P. 553–556. https://doi.org/10.1063/1.1343907
  41. Jangir P., Mohan R., Chokshi P. Experimental study on the role of polymer addition in Saffman-Taylor instability in miscible flow displacement // Phys. Fluids. 2022. V. 34. https://doi.org/10.1063/5.0102237/2844795
  42. Moosavi R., Kumar A., De Wit A., Schröter M. Influence of mineralization and injection flow rate on flow patterns in three-dimensional porous media // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. P. 14605–14611. https://doi.org/10.1039/C9CP01382B
  43. Hopp-Hirschler M., Safdari Shadloo M., Nieken U. Viscous fingering phenomena in the early stage of polymer membrane formation // J. Fluid Mech. 2019. V. 864. P. 97–140. https://doi.org/10.1017/JFM.2019.4
  44. Li W., Tchelepi H.A., Ju Y., Tartakovsky D.M. Stability-guided strategies to mitigate dendritic growth in lithium-metal batteries // J. Electrochem. Soc. 2022. V. 169. P. 060536. https://doi.org/10.1149/1945–7111/AC7978
  45. Grindrod P. Sharp Fronts within Geochemical Transport Problems // MRS Online Proc. Libr. 1994. V. 353. P. 131. https://doi.org/10.1557/PROC-353-131
  46. Crompton S., Grindrod P. A geometric approach to fingering instabilities for reaction fronts in fully coupled geochemical systems // IMA J. Appl. Math. 1996. V. 57. P. 29. https://doi.org/10.1093/IMAMAT/57.1.29
  47. Grindrod P., Gomatam J. The geometry and motion of reaction-diffusion waves on closed two-dimensional manifolds // J. Math. Biol. 1987. V. 25. P. 597. https://doi.org/10.1007/BF00275496/METRICS
  48. Oliveira E.L.G., Silvestre A.J.D., Silva C.M. Review of kinetic models for supercritical fluid extraction // Chem. Eng. Res. Des. 2011. V. 89. P. 1104. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2010.10.025
  49. Perrut M., Clavier J.Y., Poletto M., Reverchon E. Mathematical Modeling of Sunflower Seed Extraction by Supercritical CO2 // Ind. Eng. Chem. Res. 1997. V. 36. P. 430. https://doi.org/10.1021/IE960354S
  50. Patel R.N., Bandyopadhyay S., Ganesh A. A simple model for super critical fluid extraction of bio oils from biomass // Energy Convers. Manag. 2011. V. 52. P. 652. https://doi.org/10.1016/J.ENCONMAN.2010.07.043
  51. del Valle J.M., Rivera O., Mattea M., Ruetsch L., Daghero J., Flores A. Supercritical CO2 processing of pretreated rosehip seeds: effect of process scale on oil extraction kinetics // J. Supercrit. Fluids. 2004. V. 31. P. 159. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2003.11.005
  52. de Melo M.M.R., Silvestre A.J.D., Silva C.M. Supercritical fluid extraction of vegetable matrices: Applications, trends and future perspectives of a convincing green technology // J. Supercrit. Fluids. 2014. V. 92. P. 115. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2014.04.007
  53. Викулов А.Г., Ненарокомов А.В. Уточненное решение вариационной задачи идентификации математических моделей теплообмена с сосредоточенными параметрами // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. С. 234. https://doi.org/10.1134/S0040364419010356 [Vikulov A.G., Nenarokomov A.V. Refined solution of the variational problem of identification of lumped parameter mathematical models of heat transfer // High Temperature. 2019. V. 57. P. 211.]
  54. Александрова Л.Ю., Мошинский А.И., Сорокин В.В., Турманидзе Г.Н. Модель экстрагирования из поры в окружающее пространство. Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. С. 194. https://doi.org/10.31857/S0040357123020033 [English].
  55. Sovová H. Rate of the vegetable oil extraction with supercritical CO2–I. Modelling of extraction curves // Chem. Eng. Sci. 1994. V. 49. P. 409. https://doi.org/10.1016/0009–2509(94)87012–8
  56. Беляев А.А., Арутюнов А.В., Арутюнов В.С. Анализ устойчивости химического процесса в проточном реакторе // Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. С. 581. https://doi.org/10.31857/S0040357123050044 [English].
  57. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах. М.: Химия, 1982
  58. Егоров А.Г., Мазо А.Б., Максудов Р.Н. Экстракция полидисперсного зернистого слоя молотых семян масличных культур сверхкритическим диоксидом углерода // Теорет. основы хим. технологии. 2010. Т. 44. С. 498. [Egorov A.G., Mazo A.B., Maksudov R.N. Extraction from a polydisperse granular layer of milled oilseeds with supercritical carbon dioxide // Theor. Found. Chem. Eng. 2010. V. 44. P. 642.]
  59. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.
  60. Whitaker S. The Method of Volume Averaging. Netherlands: Springer, 1999.
  61. Moura E.F., Ventrella M.C., Motoike S.Y. Anatomy, histochemistry and ultrastructure of seed and somatic embryo of Acrocomia aculeata (Arecaceae) // Sci. Agric. 2010. V. 67. P. 399. https://doi.org/10.1590/S0103–90162010000400004
  62. Marrone C., Poletto M., Reverchon E., Stassi A. Almond oil extraction by supercritical CO2: Experiments and modelling // Chem. Eng. Sci. 1998. V. 53. P. 3711. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(98)00150-X
  63. Salamatin A.A. Detection of Microscale Mass-Transport Regimes in Supercritical Fluid Extraction // Chem. Eng. Technol. 2017. V. 40. P. 829. https://doi.org/10.1002/ceat.201600599
  64. Salamatin A.A. Numerical scheme for non-linear model of supercritical fluid extraction from polydisperse ground plant material: Single transport system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. V. 158. P. 012081. https://doi.org/10.1088/1757–899X/158/1/012081
  65. Максудов Р.Н., Егоров А.Г., Мазо А.Б., Аляев В.А., Абдуллин И.Ш. Определение технологических параметров процесса сверхкритической экстракции семян масличных культур // Сверхкритические флюиды Теория и практика. 2008. Т. 3. С. 39.
  66. Ильин А.М. Пограничный слой // Итоги науки и техн. Сер. Соврем. пробл. мат. Фундам. направления. 1988. Т. 34. С. 175.
  67. Grindrod P. The geometry and motion of sharp fronts within geochemical transport problems // Proc. R. Soc. London. Ser. A Math. Phys. Sci. 1995. V. 449. P. 123. https://doi.org/10.1098/RSPA.1995.0035
  68. Ortoleva P., Chadam J., Merino E., Sen A. Geochemical self-organization II; the reactive-infiltration instability // Am.J. Sci. 1987. V. 287. P. 1008. https://doi.org/10.2475/AJS.287.10.1008
  69. Алгазин С.Д. О табулировании с высокой точность нулей функции Бесселя // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2013. C. 132–141.

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies