Кинетика сушки капель жидких дисперсий на диффузионно-непроницаемых подложках

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кинетика сушки капель жидких дисперсий на диффузионно-непроницаемых подложках

Пахомова Юлия Владимировна

Тамбов 2011

Работа выполнена на кафедре «Технологические процессы и аппараты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Коновалов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович, доктор технических наук, профессор Туголуков Евгений Николаевич

Ведущая организация федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Защита диссертации состоится «23» декабря 2011 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Мичуринская, д. 112, а с авторефератом диссертации дополнительно - на официальных сайтах ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

Автореферат разослан «_____» _____________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Процесс сушки дисперсий - жидких текучих материалов (суспензий, паст, влажных осадков и т.п.) - широко применяется в процессах химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. В основном высушивание жидких продуктов ставит собой цель получения порошка продукта. Например, в химической промышленности так получают удобрения, красители, строительные смеси. В пищевой промышленности получают порошки молочно-белкового концентрата, яичной смеси (меланжа), растворимого кофе, морских водорослей (получение альгината натрия), мясокостного бульона, пивных дрожжей, лекарственных препаратов, растительных экстрактов, соевого молока, пектинов, казеина.

Типичными примерами сушилок таких материалов являются распылительные, пневматические, сушилки кипящего слоя, в том числе на инертном носителе, барабанные, роторные сушилки, а также спиральные, сублимационные и некоторые другие. Особый научный и практический интерес в них вызывает образование, испарение и сушка капель - как свободных (парящих или падающих), так и неподвижных или стекающих (лежащих, сидячих, висящих).

Однако во многих случаях для получения качественного готового продукта необходимо создание специального сушильного аппарата, учитывающего особенности конкретного продукта. Поэтому задача исследования кинетики сушки жидких продуктов, выявления механизма процесса сушки, получения специальных и обобщенных зависимостей, объяснения специфических явлений при сушке жидких продуктов (например, деструкция, структурообразование на поверхности и в толще материала) является весьма актуальной.

В последние годы также резко возрос интерес к механизму явлений в капле в связи с рядом новых приложений и направлений исследований: в физике конвекции и турбулентности (межфазной по типу Марангони и объемной); в физико-химии явлений, получивших название пиннинга и депиннинга (задержки или смещения линии трехфазной границы капли); в нелинейной термодинамике образования упорядоченных структур в высыхающих каплях (дегидратационная самоорганизация, «эффект кофейных пятен»);

в микробиологии (биологических жидкостей, в том числе молекул протеинов и ДНК); в медицинской диагностике (по различию образующихся в высыхающей капле структур); в ряде нанотехнологий (в том числе с самоорганизацией наночастиц, приготовлением наноматериалов, сенсорных экранов в технике струйных принтеров). Эти исследования проводятся во многих научных центрах мира (например: ИТФ им. Л.Д. Ландау, ИТФ им. С.С. Кутателадзе, ИТТФ НАН Украины, НИИ геронтологии МЗ РФ, ИМПБ РАН, ИПФ РАН, Астраханский госуниверситет; Гарвардский, Калифорнийский, Мичиганский, Чикагский университеты - США; Лионский университет Клода Бернара - Франция; Тель-Авивский университет - Израиль и др.). В 2010 г. состоялась специальная Международная конференция по самоорганизации в высыхающих каплях.

Большинство проводимых исследований связано с опытами на модельных жидкостях (растворы органических веществ, искусственно создаваемые суспензии и коллоидные растворы), как правило, в простых гидродинамических условиях. Использование таких данных в производственной практике будет связано с рядом трудностей. На настоящее время практически нет публикаций по кинетике сушки конкретных производственных жидкостей на твердых подложках в гидродинамических условиях, наблюдаемых в реальных аппаратах.

Поэтому поставленная задача изучения механизма и кинетики сушки капель жидких продуктов на твердых подложках на примере послеспиртовой барды является новой и актуальной как в научном плане, так и в практическом отношении.

В связи с требованиями федерального закона от 21 июля 2005 г. № 102-ФЗ с дополнением от декабря 2007 г. «О внесении изменений в федеральный закон от 22 ноября 1995 г. № 171-ФЗ «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции» от спиртовых заводов требуется полная переработка барды (пункт 5 статьи 2): «Производство этилового спирта, технологией производства которого предусматривается получение барды (основного отхода спиртового производства), допускается только при условии ее полной переработки и(или) утилизации на очистных сооружениях», т.е. задача полной переработки послеспиртовой барды в спиртовой отрасли стоит очень остро, заводы могут оказаться под угрозой закрытия. Решение этой задачи весьма актуально также для Тамбовской области, так как здесь имеется целая группа спиртовых заводов, в том числе один из крупнейших в России новый Новолядинский спиртзавод (ОАО «Талвис») производительностью до 10 тыс. дал/сутки.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование процесса сушки капель жидких дисперсных продуктов, нанесенных на твердые диффузионно-непроницаемые подложки.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучение кинетики процесса сушки жидких дисперсных материалов на твердых подложках на примере жидкой послеспиртовой барды (как продукта, требующего полной переработки);

- выявление механизма процесса сушки жидких дисперсных материалов на твердых подложках;

- получение основных кинетических зависимостей и выработка инженерной методики расчета кинетики процесса;

- выработка рекомендаций по оценке качества высушенного продукта и по практическому использованию результатов работы.

Научная новизна. Исследована кинетика сушки капли жидкой послеспиртовой барды, нанесенной на горизонтальную диффузионно-непроницаемую подложку, в диапазоне скоростей и температур сушильного агента, характерных для промышленных сушилок. Выявлено наличие всех типов температурно-влажностных зависимостей в процессе сушки, а также характерной точки перегиба на термограмме в районе первого периода сушки и соответствующее вырождение площадки мокрого термометра, связанной с началом формирования пленки на поверхности капли. Объяснен механизм формирования пленки на поверхности высыхающей капли, приводящий к формированию твердой корки, изменяющей свой цвет в процессе сушки. Разработана методика расчета профиля, объема и площади поверхности капли, высыхающей в режиме закрепления контактной линии. Предложен способ прогнозирования типа кинетической кривой - термограммы - в зависимости от режима сушки и свойств высушиваемого материала. Выполнены исследования сушки барды в кипящем слое на бинарном инертном материале, подтвердившие идентичность процессов с сушкой капли и возможность использования полученных результатов.

Практическая значимость работы. На основании анализа выявленного механизма сушки капли жидкой послеспиртовой барды на подложке предложен алгоритм прогнозирования качества высушенного продукта. Предложена цветовая шкала для экспресс-оценки качества сухой барды в производственных условиях. Разработан метод расчета кинетики сушки капли, нанесенной на диффузионно-непроницаемую подложку. Эти результаты приняты к реализации на ОАО «Талвис» (Новолядинский спиртзавод). Сушку на бинарном инерте предложено использовать для спиртзаводов средней и небольшой производительности.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях в Тамбовском государственном техническом университете в период с 2006 по 2011 гг. и на международных научно-практических конференциях СЭТТ - 2008 и СЭТТ - 2011.

Результаты работы используются в учебном процессе в качестве материалов для проведения лекционных и практических занятий и дипломного проектирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять статей, в том числе три в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 246 страницах текста, содержит 103 рисунка и 18 таблиц. Список литературы включает 203 наименования. Приложение к диссертации представлено на 35 страницах.

2. Основное содержание работы

Во введении сформулированы направление и цель настоящей работы, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен подробный анализ состояния и направлений исследований в области сушки жидких дисперсных систем. На основании анализа современных публикаций в российской и иностранной научной прессе показано, что исследование процесса сушки капель жидких дисперсных продуктов различной природы на подложках весьма актуально и вызывает широкий интерес. Это связано с тем, что при сушке капель возникают разнообразные структуры, имеющие часто весьма специфические и привлекательные с потребительской точки зрения свойства. Приведены основные направления исследований и высказываемые гипотезы о механизме сушки и структурообразования в каплях высыхающих жидкостей. В качестве исследуемой жидкости выбрана жидкая послеспиртовая барда. Соответственно, приводятся сравнительный анализ существующих технологий переработки барды, используемого оборудования, данные о применении сухой барды. Делается вывод о возможности использования процесса сушки непосредственно жидкой барды с точки зрения стоимости оборудования, площадей под цех переработки, управления процессом и энергопотребления (особенно в малотоннажных производствах).

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса сушки жидкой барды на подложках и в сушилке с кипящим слоем инертных тел. Исходя из современного состояния теории и практики сушки жидких и пастообразных материалов на подложках разработана многорежимная визуальная экспериментальная установка (рис. 1).

Рис. 1. Схема многорежимной визуальной сушильной установки:

1 - вентилятор; 2 - кожух защитный; 3 - тэн; 4 - сопло; 5 - подставка; 6 - термопара свободная; 7 - термопара в капле; 8 - подложка; 9 - направляющие

Разработанная экспериментальная установка позволяет производить сушку и(или) термообработку исследуемого материала в широком диапазоне температур сушильного агента: от 20 до 280 С. Скорость обдува материала может варьироваться от 0,5 до 25 м/с. В установке реализована возможность применения устройств, создающих заданную конфигурацию потока и способ обдува (сопла, рассекатели, турбулизаторы, использование пульсаций потока). Приводится методика проведения экспериментов. Дан план проведения экспериментальных исследований. Представлены схемы и свойства использованных подложек (пластина, диск, куб).

Для проведения экспериментов по получению готового сухого продукта и анализа кинетики сушки жидкой послеспиртовой барды в реальном промышленном аппарате была разработана лабораторная сушилка с кипящим слоем инертных тел (СКИТ) (рис. 2).



Установка позволяет работать как непрерывно, так и периодически. Высушиваемый продукт в жидком виде вводится в кипящий слой инертных тел на определенную высоту над решеткой с помощью специального штуцера. Электрический калорифер позволяет варьировать температуру сушильного агента в пределах до 200 С. Система управления вентилятором позволяет варьировать скорость сушильного агента под решеткой в пределах от 0,3 до 10 м/с. Сушильная камера представляет собой цилиндрическую обечайку диаметром 55 мм и высотой 170 мм. В нижней части обечайки установлена сменная газораспределительная решетка. В верхней части обечайки установлена отбойная стальная сетка с размером ячейки 1,5 мм. Отбойная сетка используется для задержания в слое инертных тел, которые могут уноситься из слоя при повышенной скорости сушильного агента. Инертный слой состоит из фторопластовых кубиков и алюминиевых цилиндров (Патент РФ № 2003125506/04 ; заявл. 18.08.2003 ; опубл. 27.01.2005, бюл. № 3. - 7 с.). Состав слоя выбран из расчета 50% фторопласта на 50% алюминия. Размер фторопластовых кубиков: 222 мм. Размер алюминиевых цилиндров: 23 мм.

На основании проведенных экспериментов по сушке капель жидкой послеспиртовой барды на подложках в многорежимной визуальной сушилке был предварительно предложен диапазон для режима сушки в аппарате СКИТ. Температура сушильного агента от 100 до 140 С. Скорость сушильного агента под решеткой от 2 до 4 м/с.

В результате на установке СКИТ был получен сухой продукт со следующими свойствами:

- размер частиц - от 0,1 до 1,5 мм;

- насыпная плотность - около 700 кг/м3;

- влажность продукта - не более 5%;

- цвет - золотистый (RAL 1036 Pergold).

По основным показателям полученный на установке СКИТ продукт соответствует требованиям, предъявляемым к сухой барде по ГОСТ Р 53098-2008.

Также проведены исследования следующих свойств высушиваемого продукта.

1. Определение плотности, вязкости, поверхностного натяжения и угла смачивания жидкой барды.

2. Микроскопические исследования жидкой барды.

3. Исследование фракционного состава жидкой барды.

Показано, что жидкая послеспиртовая барда является сложной дисперсной системой, твердая фаза которой состоит из частиц размером от 1 до 10 мкм и от 10 до 250 мкм в определенном соотношении, а жидкая представляет собой слабый раствор. При этом жидкая послеспиртовая барда может изменять свои свойства во времени.

В третьей главе приводится анализ и обработка полученных экспериментальных данных.

Дается подробный сравнительный анализ влияния температуры и скорости сушильного агента на кинетику процесса сушки. Показаны особенности термограмм первого периода при сушке послеспиртовой барды. Некоторые полученные кинетические кривые сушки при разных режимах показаны на рис. 3. Также по результатам анализа приводятся данные о значениях критического и равновесного влагосодержания после-
спиртовой барды в зависимости от режима сушки.

В процессе исследования кинетики сушки выделяют различные типы кинетических кривых. При сушке барды были получены все шесть типов кинетических кривых. Указаны режимы и свойства высушиваемого продукта, влияющие на получаемый тип кинетической кривой. Исходя из анализа полученных типов кривых, свойств и режимов приводится алгоритм прогнозирования типа температурной кривой на примере сушки жидкой послеспиртовой барды и так называемого сиропа (на спиртовых заводах так называют упаренный фугат) для заданных условий. Показана возможность успешного прогнозирования типа кинетической кривой.

Приводятся полученные данные об изменении формы, размеров и цвета капли высушиваемого материала. Показана принципиальная разница в поведении капли воды и жидкой послеспиртовой барды (влажность до 92%) при сушке на диффузионно-непроницаемой подложке (фторопласт). Выявлено характерное для всех режимов сушки жидкой барды постоянство положения линии контакта жидкость-твердое тело во времени (так называемый режим пиннинга). Проведен анализ изменения толщины и формы высыхающей капли. Выявлено появление на поверхности высыхающей капли мягкой пленки, которая затем перерастает в твердую корку. Показано, что максимальная усадка капли наблюдается до времени начала формирования корки.

Приведено подробное исследование изменения цвета поверхности высыхающей капли барды. Цвет анализировался макрофотосъемкой (FUJIFILM FINEPIX S2500HD) поверхности капли с последующим анализом на компьютере в программе RAL C1 DIGITAL (электронный анализатор цвета по системе RAL). На всех исследуемых режимах сушки цвет высыхающей капли менялся от зелено-бежевого (по классификации RAL 1000 Grunbeige) при самых мягких режимах сушки до темно-коричневого (по классификации RAL 8022 Schwarzbraun) при жестких режимах сушки. Приводятся данные об изменении цвета при различном по времени температурном воздействии на высушенный продукт.



Рис. 3. Кинетические кривые сушки капли барды на малом диске, навеска - капля 0,05 г

a - w = 3 м/с; T = 60, 80, 100 С; б - Т = 120 С; w = 3, 5, 7 м/с

Соответственно полученным данным приводится алгоритм прогноза качества полученного сухого продукта при заданном режиме сушки в заданный момент времени. Алгоритм связывает между собой общее рассчитанное время сушки заданного количества жидкости, режим сушки, текущее время и наблюдаемый в текущий момент цвет поверхности. Также предлагается собственная цветовая шкала оценки качества сухого продукта для экспресс-оценки качества высушенной послеспиртовой барды по цвету высушенного продукта. Приводится способ ее использования на производстве.

Также в главе приведены данные о физико-химических и структурно-механических изменениях в высушиваемом материале; описание наблюдаемых при высыхании капли при наличии обдува циркуляционных течений - вихрей. Даны возможные гипотезы характера возникновения и развития этих течений, связанные со следующими факторами: а) характер (фракционный состав, размеры, плотность и т.п.) дисперсной фазы в испаряющейся капле; б) скорость и взаимное ориентирование потока сушильного агента и поверхности капли; в) интенсивность теплоподвода со стороны подложки; г) характер взаимодействия подложки и испаряющейся жидкости.

Проведенными исследованиями выявлено образование на поверхности высыхающей капли барды тонкой пленки. Это явление хорошо визуально наблюдается при анализе макровидеосъемки поверхности высыхающей капли с разных углов зрения. Кинограмма процесса высыхания капли жидкой послеспиртовой барды, нанесенной на фторопластовый диск, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Кинограмма процесса высыхания капли жидкой послеспиртовой барды, нанесенной на фторопластовый диск (вид сверху). Диаметр диска - 8 мм:

1 - начало процесса; 1 - 3 формирование пленки; 4 - 8 формирование корки; 8 - окончание процесса

Тонкая пленка на поверхности высушиваемой барды формируется при всех исследованных режимах сушки. Соединение визуальных наблюдений с термограммой и кривой сушки позволяет определить время и температуру образца при начале формирования пленки. Обработка экспериментальных данных выявила, что окончательное формирование тонкой пленки соответствует на термограмме процесса сушки определенной точке перегиба. Эта точка перегиба отмечается при всех исследованных режимах сушки и характеризует начало монотонного роста температуры образца уже в первом периоде сушки, где для большинства жидких продуктов наблюдается так называемая площадка мокрого термометра (рис. 5).

Полученные значения времени формирования пленки на поверхности капли (визуально с видеосъемки) хорошо коррелируют со временем, характерным для положения точки перегиба на термограмме (рис. 6).

Исходя из полученных данных предложено описание механизма процесса сушки капли жидкой послеспиртовой барды, в ходе которого идет формирование тонкой пленки, а затем и твердой корки. Эти результаты могут быть полезны также при общих исследованиях механизма тепломассопереноса и структурообразования в высыхающих каплях.



Рис. 6. Корреляция визуально отмечаемого времени формирования пленки и положения точки перегиба на термограмме

Для выявления возможного механизма нанесения жидкого продукта на частицы инертных тел, механизма высушивания продукта и скола продукта с частицы были проведены эксперименты с погружением отдельной частицы, укрепленной на специальном удерживающем устройстве, в кипящий слой инертных тел и отбор проб высушиваемого продукта из слоя на установке СКИТ. Сопоставление кривых сушки, полученных в кипящем слое (рис. 7), с кривыми сушки, полученными на подложке, показало сходство механизма сушки как в капле на подложке, так и в слое кипящих инертных частиц. Соответственно, механизм образования пленки и корки на поверхности капли высыхающей барды, нанесенной на подложку, будет справедлив и для слоя барды, находящегося на инертной частице в кипящем слое.

Также приводятся данные по нагреву отдельной частицы, помещенной в определенную заданную точку кипящего слоя инертных тел. На основании этих данных получено критериальное уравнение позволяющее рассчитать коэффициент теплоотдачи к отдельной частице, находящейся в слое кипящих инертных тел. сушка дисперсный послеспиртовой барда



Рис. 7. Кривые сушки жидкой послеспиртовой барды в установке СКИТ при скорости сушильного агента 3 м/с при варьировании температуры сушильного агента от 100 до 160 С

Nu = 4,35Re0,35Pr0,33,

В четвертой главе приводятся расчеты кинетики нагрева и сушки жидких материалов на твердых подложках.

Представлены данные о расчете кинетики нагрева отдельной частицы в кипящем слое инертных тел. Показано, что для нагрева отдельной частицы в кипящем слое инертных тел характерны весьма высокие значения коэффициентов теплоотдачи (200…350 Вт/м2•К) даже при относительно небольших значениях скоростей обдува (2…4 м/с). Эти значения практически на порядок превышают значения коэффициентов теплоотдачи в свободном потоке воздуха. Представлены кривые сравнения расчетных и экспериментальных данных (рис. 8).

Форма и размеры капли, лежащей на подложке, зависят от краевого угла смачивания, поверхностного натяжения, наклона подложки, фиксации (пиннинга или депиннинга) линии контакта капли с подложкой и пр. В работе приведены решения дифференциальных уравнений наружной поверхности и даны расчетные зависимости для определения профиля, объема и площади испарения лежащей капли (слоя) жидкости на конечной и бесконечной пластине при различных условиях смачиваемости.



Рис. 8. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по нагреву одиночной частицы в кипящем слое.

Частица - фторопластовый куб. Температура - 60, 80, 100 С. Скорость воздуха - 2,5 м/с. Точки - эксперимент, линии - расчет

Например, для 90 при профиле капли д(х) имеем:

- площадь профиля Sо:

, ;

- периметр, смоченный каплей,

;

- объем капли

;

- площадь наружной поверхности капли

,

где д(х) определяется приведенным в диссертации решением.

Во многих работах по испарению и сушке капель форма капли принимается по форме сегмента сферы. Получены профили капли для различных углов смачивания капли жидкой послеспиртовой барды и капли воды, нанесенной на диск заданного размера. Приведено сравнение профиля капли с сегментом шара. Показано, что разница в объеме капли и сегмента шара аналогичных размеров достигает от 9,5 до 18%, а разница в площади поверхности составляет от 16 до 85%. Таким образом, принимать форму капли по форме сегмента шара недопустимо как для смачивающих, так и для несмачивающих жидкостей.

На рис. 9 представлено сравнение рассчитанного и экспериментального профиля капли жидкой послеспиртовой барды, нанесенной на фторопластовый диск. Видно, что совпадение полное в пределах погрешности измерения угла смачивания и поверхностного натяжения.

Для расчета кинетики сушки капли жидкой барды на твердой подложке приводится метод расчета, основанный на использовании температурно-влажностных кривых, на разбивке процесса сушки на зоны, инженерно-физических аппроксимаций границ зон и необходимых тепломассообменных характеристик и аналитических решений задач тепломассопереноса в пределах каждой зоны при интервальном подходе. Этот метод развит и успешно применяется при расчетах кинетики сушки в школе профессора В.И. Коновалова. Особенность метода состоит в том, что требуется свести задачи теплопереноса и массопереноса с соответствующими граничными условиями к аналогичной форме, что достигается введением эффективных коэффициентов переноса и характеристик. Наличие взаимосвязанности тепломассопереноса учитывается использованием температурно-влажностных зависимостей.

Так, например, сток тепла на поверхностное испарение в первом периоде учитывается в эквивалентных граничных условиях:

,

;

.

Здесь ?эф учитывает вклад теплоподвода и конвекцией, и излучением; ?сух, ?исп, исп считаются по критериальным уравнениям:

Nuсух = 1,8Re0,5 Pr0,333; Nu? = 12,0Re0,33 Pr0,333; Nu? = 4,95Re0,37 Sc0,333.

Определяющий размер d = 4(Fкан - Fобр) / (Ркан + Робр).

Определяющая температура - среднеарифметическая температура погранслоя.

an, bn - коэффициенты аппроксимации уравнения для концентрации насыщенного пара у поверхности:

Снас(Т) = an + bnT .

Причем Снас = Снас (рнас (Т(l, ?)), где рнас(Т) аппроксимируется экспоненциальным и весьма точным уравнением Антуана.

- коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности испарения с поверхности капли при формировании пленки. Значения коэффициента для простой инженерной оценки можно считать по формуле

Во втором периоде сток тепла на объемное испарение войдет в эквивалентную теплоемкость:

,

где - наклон температурно-влажностной кривой.

Как следует из анализа кинетических кривых, для расчета кинетики сушки в первом периоде можно выделить два критических влагосодержания.

Первое - Uп - влагосодержание, соответствующее точке перегиба Тп на термограмме. Второе - Uкр - влагосодержание, соответствующее окончанию первого периода сушки. На кривой сушки это точка резкого уменьшения скорости сушки, а на видеозаписи это окончание формирования пленки на поверхности капли и начало изменения цвета полученной корки.

Таким образом, границы зон необходимо аппроксимировать критическими влагосодержаниями Uп и Uкр и соотношениями кусочно-линейной или другой температурно-влажностной зависимости.

Влияние соотношения внешнего теплообмена и внутреннего теплопереноса в капле можно учесть критерием Био.

Общий вид зависимости может быть следующим:

Uп = А Bin Uo.

Явный вид этих зависимостей найден обработкой экспериментальных данных:

Uп = 1,6 Bi0,4 Uo или упрощенно Uп = 0,68Uo.

Аппроксимация величины Uкр возможна на основе аналогичных соображений:

Uкр = 0,3Uo.

Рис. 10. Сравнение расчетных (сплошная линия, индекс р) и экспериментальных данных (точки, индекс э) по сушке жидкой послеспиртовой барды на фторопластовом диске.

Размеры диска: толщина - 3 мм, диаметр - 8,5 мм:

а - Т = 60 С, w = 3 м/с; б - Т = 120 С, w = 7 м/с

В итоге инженерно-кинетический расчет сводится к использованию аналитических решений с введением полученных аппроксимаций температурно-влажностной зависимости и тепломассопереносных характеристик по временным интервалам. В границах каждого временного интервала в первом периоде рассчитывается профиль капли жидкости, площадь поверхности испарения и толщина капли с учетом убыли влаги.

Результаты расчетов кинетики сушки капли жидкой послеспиртовой барды по описанному методу и сравнение этих результатов с экспериментальными данными представлены на рис. 10. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12%.

В пятой главе рассмотрены возможности совершенствования процессов и аппаратов для сушки жидких продуктов на подложках на основе полученных результатов. Показано, что для многих дисперсных продуктов можно предположить сходные механизмы сушки, а предлагаемый метод расчета кинетики сушки может быть применен и для других продуктов с соответствующими коррективами. Приведены рекомендации по использованию цвета высушенного продукта как экспресс-показателя качества. Сушку на бинарном инерте предложено использовать для спиртзаводов средней и небольшой производительности.

Показана возможность применения предложенного метода расчета для проектирования типовых сушильных аппаратов (распылительных, с кипящим слоем инерта и других) с учетом предлагаемых в данной работе зависимостей. Результаты работы (алгоритм прогнозирования качества высушенного продукта и цветовая шкала для экспресс-оценки качества сухой барды в производственных условиях) переданы и приняты к практической реализации на ОАО «Талвис» (Новолядинский спиртзавод).

Основные выводы и результаты

1. Выполнен обзор современного состояния исследований процессов сушки капель жидких продуктов на твердых подложках. Выделены области научных направлений, в которых эти исследования актуальны и перспективны, а также возможности их применения в различных отраслях производства.

2. Разработаны и использованы новые лабораторные сушильные установки, позволяющие проводить исследования процессов сушки в широком диапазоне температур и скоростей сушильного агента, при возможном чередовании режимов с фиксацией основных параметров высушиваемого продукта и макрофотовидеосъемкой.

3. Проведены исследования фракционного состава жидкой послеспиртовой барды. Показано, что жидкая послеспиртовая барда является сложной дисперсной системой, твердая фаза которой состоит из двух основных частей: частиц размером от 1 до 10 мкм и частиц размером от 10 до 250 мкм, а жидкая фаза представляет собой слабый раствор сложного биохимического состава.

4. Проведен анализ кинетических особенностей сушки капель барды на твердой подложке. Показано влияние температуры и скорости сушильного агента на скорость сушки, критическое и равновесное влагосодержание.

5. Выявлено наличие точки перегиба на термограмме, связанное с появлением пленки на поверхности высыхающей капли, которая в течение процесса сушки перерастает в твердую корку. Предложено объяснение механизма формирования пленки и корки на поверхности капли. Выявлено характерное для сушки жидкой барды постоянство положения линии контакта с подложкой (так называемый режим пиннинга).

6. При сушке послеспиртовой барды при различных условиях получены шесть типов кинетических кривых. Указаны режимы и свойства высушиваемого продукта, влияющие на получаемый тип кинетической кривой. Исходя из анализа полученных типов кривых, свойств и режимов приведен алгоритм прогнозирования типа температурной кривой.

7. На основе исследования изменения цвета поверхности высыхающей капли барды разработана цветовая шкала для экспресс-оценки качества высушенной после-спиртовой барды по цвету высушенного продукта. Разработан алгоритм прогноза качества продукта при заданном режиме сушки, связывающий общее время сушки, режим сушки, текущее время и наблюдаемый в текущий момент цвет поверхности.

8. Приведено описание наблюдаемых при высыхании капли при наличии обдува вариантов циркуляционных течений - вихрей - на поверхности и в объеме капли. Даны возможные гипотезы характера возникновения и развития этих течений.

9. Представлены расчетные зависимости для определения профиля, объема и поверхности лежащей капли (слоя) жидкости для смачивающих и несмачивающих дисперсий.

10. Предложено развитие метода расчета кинетики сушки капель жидкости на подложках на базе температурно-влажностных зависимостей. Показано наличие в первом периоде двух критических влагосодержаний, даны зависимости для их определения.

11. Результаты работы (алгоритм прогнозирования качества высушенного продукта и цветовая шкала для экспресс-оценки качества сухой барды в производственных условиях) переданы и приняты к практической реализации на ОАО «Талвис» (Новолядинский спиртзавод). Сушку на бинарном инерте предложено использовать для спирт-
заводов средней и небольшой производительности.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ (все размерности в системе СИ)

a - температуропроводность; с - теплоемкость; F - поверхность; Р - периметр; g - вес; r, х, d - координата, толщина; Т - температура; u - влагосодержание материала; w - скорость; , - коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи; - толщина; - теплопроводность; - плотность; , - динамическая, кинематическая вязкость; - время; - угол смачивания. э - эквивалентное; эф - эффективное; изл - излучение; исп - испарение; сух -сухое; с - среда; ж - жидкость.

Nu = l/; Nu = l/D; Re = wl/; Pr = /a; Sc = /D; Bi = l/.

Основные положения диссертации представлены в следующих публикациях

1. Пахомова, Ю.В. Особенности механизма и кинетики сушки капель дисперсий (на примере сушки послеспиртовой барды) / Ю.В. Пахомова, В.И. Коновалов, А.Н. Пахомов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2011. - Т. 17, № 1. - С. 70 - 82.

2. Пахомова, Ю.В. Оценка качества готового продукта при сушке жидких дисперсных веществ / Ю.В. Пахомова, В.И. Коновалов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2011. - № 2(33). - С. 407 - 412.

3. Коновалов, В.И. Геометрия, циркуляция и тепломассоперенос при испарении капли на подложке/ В.И. Коновалов, А.Н. Пахомов, Ю.В. Пахомова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2011. - Т. 17, № 2. - С. 371 - 387.

4. Возможности энергосберегающей сушки на подложках / Ю.В. Пахомова (Воробьева) // Доклады Третьей Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2008», Тамбов, 19-20 сентября 2008 г.

5. Особенности кинетики сушки капель жидкости на твердых подложках / Ю.В. Пахомова, В.И. Коновалов, А.Н. Пахомов // Доклады Четвертой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011», Москва, 20 - 23 сентября 2011 г.

Размещено на Allbest.ru