СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОКИСЛЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ОЛИФЫ

Изобретение относится к области исследования свойств и характеристик органических и неорганических веществ и жидкостей электрофизическими методами, в частности, к оперативным методам контроля окисления растительного масла в производстве олифы.

Окисление растительного масла кислородом воздуха в режиме барботажа заключается в том, что в окислительную колонну вертикального типа закачивают предварительно нагретое до температуры начала окисления (135-140)°С растительное масло, а в нижнюю часть колонны подают проток воздуха. В присутствии катализаторов окисления, которые представляют собой комплексы металлов переменной валентности - Со, Mn, Ni, Са, Fe, в колонне происходит окислительный процесс с выделением реакционного тепла. Колонна имеет рубашку охлаждения, в которой находится охлаждающий агент -вода, используемая для отвода реакционного тепла (Дринберг А.Я., Технология пленкообразующих веществ - Л., Госхимиздат, 1955, 651 стр.).

Задачей технологического процесса окисления является получение окисленного масла заданной вязкости, поэтому контроль технологического процесса окисления растительного масла в действующем производстве осуществляется по вязкости окисляемого масла. Для этого в процессе окисления отбирают пробы окисляемого масла, охлаждают их до температуры 20°С, измеряют вискозиметром вязкость пробы и при достижении значения вязкости, заданной регламентом, процесс окисления останавливают. В процессе окисления растительное масло уплотняется, становится все более и более вязким, и, если не остановить этот процесс вовремя, вязкость масла увеличивается до бесконечности, что приводит у браку.

Вязкость является важнейшей физико-химической характеристикой многих жидких и газообразных сред. Вязкость является качественной характеристикой полупродуктов и готовых продуктов различных производств, так как она напрямую зависит от структуры вещества и показывает физическое состояние материала. Измерение вязкости нормируется государственным стандартом: ГОСТ 8420-74 «Методы определения условной вязкости». Вязкость измеряют прибором - вискозиметром ВЗ-246 с диаметром сопла 2, 4 и 6 мм, представляющим собой коническую емкость, вершиной вниз, объемом (100±1) мл, в нижней части емкости имеется калиброванное отверстие, через которое истекает жидкость. Наиболее распространен вискозиметр, в котором калиброванное отверстие равно 4 мм (ВЗ-4). Вязкость определяют по времени истечения жидкости под действием силы тяжести, в секундах. Вязкость жидкости зависит от температуры, с ее повышением вязкость уменьшается. В связи с этим необходимо все пробы термостатировать до определенного значения (20±0,5)°С. Определение условной вязкости необходимо не менее трех раз. Повторное измерение проводят сразу после окончания предыдущего (без очистки вискозиметра) путем заполнения новой порцией испытуемого материала. После окончания измерения вискозиметр тщательно очищают растворителем, особенно осторожно очищают сопло, чтобы предотвратить его повреждение.

Недостатком данного способа измерения вязкости жидкости является низкая производительность, невозможность осуществлять автоматическое и непрерывное измерение вязкости, так как необходимо выполнять периодический отбор проб вручную, охлаждать их до температуры 20°С, а также производить перезаполнение вискозиметра новой порцией исследуемой жидкости.

Известны и другие способы измерения вязкости жидкости, например, метод «падающих шариков - метод Стокса», согласно которому о вязкости жидкой среды судят по равномерной скорости погружения в ней шарового зонда известного радиуса и с известной плотностью материала зонда. Недостатком такого метода являются большие затраты времени в связи с тем, что необходимо обеспечить условия ламинарного обтекания исследуемой жидкостью движущегося шарового зонда, для чего необходима тщательная подготовка испытуемого лакокрасочного материала: испытуемый материал должен быть однородным: его перемешивают, фильтруют через сито и непосредственно перед измерением снова тщательно перемешивают, затем производят трехкратное измерение и принимают среднее арифметическое результатов измерения.

В способе по патенту РФ №2082153 МПК G01N 11/12 используют шаровой зонд радиусом R и плотностью ρ³, погруженный в жидкость, вычислительный блок, узел разгона зонда, измеритель вертикальной составляющей скорости движения зонда, узел возврата зонда в исходное положение, причем, вход и выход вычислительного блока соединены с выходом вертикальной составляющей скорости движения зонда и входом узла разгона зонда соответственно, шаровой зонд взаимодействует кинематически с узлом разгона в начале измерения и с узлом возврата зонда в исходное положение в конце движения при измерении соответственно.

Недостатком данного способа является сложное аппаратурное оформление, требующее точного измерения скорости и времени, от которых зависит точность результатов, а также необходимость относительно сложных и затратных по времени расчетов.

Ротационные способы измерения вязкости обладают более широкими возможностями. Их можно применять как для периодических, так и для непрерывных измерений.

Сущность способа заключается в помещении жидкости в замкнутый полый цилиндр и приведении его во вращение, причем, вращают его в течение времени, пока угловая скорость исследуемой жидкости в цилиндре не станет постоянной, мгновенно останавливают вращение цилиндра, измеряют время переходного процесса t_пп между первым состоянием, в котором поверхность жидкости имеет вид параболоида вращения, а его параметры определяются угловой скоростью жидкости ω₁, и вторым состоянием, в котором параметры параболоида вращения определяются угловой скоростью жидкости ω_пор, время t_пп принятия жидкостью второго состояния (ω=ω_пор) является мерой вязкости и определяется расчетным путем по формулам гидродинамики (см. Лойцянский Л.Г., Механика жидкостей и газов - М, Наука, 1970 г.).

Недостатками является то, что при осуществлении способа требуются значительные затраты времени на приведение температуры жидкости к определенному значению, для возможности воспроизводимости результатов. Способ применим к мало- и средневязким жидкостям, и также требует применения сложной аппаратуры для фиксации времени с помощью датчика на основе цилиндрического объемного резонатора и СВЧ генератора, перестраиваемого по частоте. Данная конструкция измерительного устройства предназначена для периодического измерения вязкости жидкости.

Известны также способы непрерывного измерения вязкости жидкости.

Известно техническое решение по патенту РФ №2537524, в соответствии с которым вязкость жидкости непрерывно измеряют в потоке жидкости, перемещающейся с заданной постоянной скоростью через измерительную трубу, содержащую двуплечий рычаг, при этом жидкость оказывает давление на длинное плечо двуплечего рычага, который коротким плечом через герметичную мембрану и толкатель воздействует на тензорезисторный датчик давления, сигнал от которого отображается на экране показывающего прибора.

Известно техническое решение по патенту РФ №2610343, в соответствии с которым о вязкости жидкости судят по величине импульса давления рабочей среды, создаваемым насосом-дозатором перед диафрагмой с калиброванным отверстием.

Большие затруднения представляет измерение вязкости жидкости, находящейся при высокой температуре, в связи с тем, что практически все жидкости становятся маловязкими и трудно заметить изменение вязкости при непрерывном измерении по ходу технологического процесса.

Характерной особенностью реакции окисления является то, что окисление - это химическая реакция полимеризации жирных кислот растительных масел с участием кислорода воздуха и катализаторов-сиккативов, протекающая по цепному механизму, при этом, в процессе реакции вязкость реакционной массы нарастает лавинообразно, и, если реакцию окисления не остановить в нужный момент, то значение вязкости может очень быстро увеличиваться до бесконечности. Важно не пропустить момент достижения конечным продуктом качественных характеристик, заданных технологическим регламентом, вовремя остановить процесс, что достаточно проблематично в действующем производстве из-за того, что при контроле процесса окисления для охлаждения пробы до температуры 20°С и анализа вязкого конечного продукта требуется много времени, а за это время вязкость конечного продукта может значительно увеличиться и выйти за пределы требований регламента. В результате патентного поиска не удалось обнаружить методов экспресс-анализов определения вязкости реакционной массы для этого типа химической реакции. В связи с этим возникает необходимость разработки новых способов и методов контроля окисления растительного масла в производстве олифы, при которых не требуется производить периодический трудоемкий и опасный отбор проб, длительная подготовка их к анализу и затрачивать много времени на сам анализ.

По этой причине необходимо применить другие способы и методы контроля окисления растительного масла - электрофизические методы.

В результате патентного поиска не удалось выявить применения электрофизических методов для исследования процесса окисления растительных масел в окислительных колоннах.

Задачей, стоящей перед изобретением, является создание безопасного, мало затратного по времени, непрерывного способа контроля окисления растительного масла в производстве олифы, используя тот факт, что значения электрофизических параметров находятся в прямой зависимости от значений вязкости реакционной массы.

Задача решается путем использования для контроля процесса окисления масла измерение величины активного сопротивления R_p окисляемого масла, причем, этот показатель измеряют непрерывно в процессе окисления.

Опытным путем установлено, что погрешность измерения величины активного сопротивления R_p окисляемого масла незначительно зависит от его температуры, (в пределах температур 20-150°С), поэтому можно контролировать процесс, проводя измерения активного сопротивления R_p окисляемого масла по ходу процесса окисления, температурный режим которого поддерживается в диапазоне 130-150°С. В процессе окисления масла происходят структурные изменения, растительное масло уплотняется, в нем под действием катализаторов-сиккативов происходит образование макромолекул, которые активно участвуют в процессе полимеризации с образованием разветвленной трехмерной сетчатой структуры. За счет этих структурных изменений изменяется активное сопротивление R_p окисляемого масла.

Для осуществления электрофизических методов исследований наиболее подходит прибор «Измеритель иммитанса Е7-30», позволяющий, в частности, проводить измерения активного сопротивления R_p окисляемого масла.

Описание предлагаемого способа контроля процесса окисления в производстве олифы иллюстрируются графическими материалами.

На фиг. 1 представлен график изменения во времени активного сопротивления R_p окисляемого масла в производстве олифы, где на вертикальной оси показана величина активного сопротивления в MΩ, а на горизонтальной оси - время течения процесса в час.

На фиг. 2 представлен график зависимости между вязкостью оксидируемого масла η и его активным сопротивлением R_p, где на вертикальной оси показана величина активного сопротивления R_p МΩ, а на горизонтальной оси - вязкость η сек.

В процессе окисления растительного масла замеряли изменение активного сопротивления R_p во времени (фиг. 1). Измерение проводилось прибором «Измеритель иммитанса Е7-30», характеристическая частота равна 42 KHz.

Выбор характеристической частоты электромагнитных колебаний был произведен по методике, описанной в пат. РФ №2383010, G01N 27/06 от 05.04.2008 г. «Способ определения рода жидкостей». В нашем случае определена характеристическая частота, равная 42 KHz для конечного продукта - окисленного масла с вязкостью 20 сек. (при 20°С по вискозиметру ВЗ-4).

В начальный период величина активного сопротивления R_p равна 1150 МΩ, затем в ходе проведения окисления масла величина плавно уменьшается, через 13 часов достигает величины R_p=240 MΩ и, если процесс не остановить, снижается далее (фиг. 1).

В ходе проведения окисления растительного масла параллельно с измерениями на приборе отбирают пробы окисляемого масла, проводят лабораторный анализ, в соответствии с регламентом определяют вязкость, в момент отбора проб фиксируют значения R_p и строят графики соответствия между определенными значениями вязкости η и значениями активного сопротивления R_p в данные моменты времени.

Зависимость вязкости окисляемого масла η от величины активного сопротивления R_p показана на графике (фиг. 2), где на вертикальной оси показано значение активного сопротивления R_p в МΩ, а на горизонтальной оси показаны значения вязкости η в сек. Было установлено, что требуемое регламентом значение вязкости окисленного масла η 19-22 сек достигнуто тогда, когда величина активного сопротивления R_p равна 180-100 МΩ.

Таким образом, значение активного сопротивления R_p растительного масла в диапазоне 180-100 MΩ можно принять как критерий для завершения процесса окисления растительного масла в окислительной колонне в производстве олифы и применить в дальнейшем на практике в производстве олифы. При достижении этих значений активного сопротивления R_p растительного масла можно считать процесс окисления законченным.

Технический результат реализации способа контроля окисления растительного масла в производстве олифы с применением для контроля окисления электрофизических методов исследования заключается в получении четкой зависимости между активным сопротивлением R_p окисляемого масла и вязкостью окисляемого масла в процессе окисления. Предлагаемый способ непрерывного контроля окисления растительного масла в производстве олифы с использованием электрофизических методов исследования является оперативным и безопасным.

Таким образом, поставленная задача решена.