Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии переработки пивной дробины 10
1.1. Общая характеристика пивной дробины 10
1.2. Основные способы утилизации пивной дробины 13
1.3. Аппараты для проведения технологических процессов с использованием закрученных потоков 17
1.4. Особенности гидродинамики аппаратов с закрученными потоками 28
1.5. Особенности процесса тепло- и массообмена при сушке влажных материалов в аппаратах с закрученными потоками фаз 37
1.6. Цели и задачи исследования 43
Глава 2. Характеристики пивной дробины как объекта сушки 45
2.1. Изотермы десорбции пивной дробины 45
2.2. Определение физико-механических свойств пивной дробины 46
2.2.1. Удельный вес пивной дробины 48
2.2.2. Насыпная плотность пивной дробины 48
2.2.3. Коэффициент укладки 49
2.2.4. Порозность 51
2.2.5. Углы естественного откоса 51
2.2.6. Гранулометрический состав пивной дробины. 53
2.3. Исследование гидрофильных свойств объекта сушки 55
2.4. Дифференциальный термический анализ пивной дробины.. 58
2.5. Теплофизические характеристики объекта сушки 61
Глава 3. Исследование процесса сушки пивной дробины в аппарате с закрученным потоком фаз 70
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 70
3.2. Гидродинамика закрученного слоя пивной дробины 74
3.3. Сушка пивной дробины в аппарате с закрученным потоком фаз 89
3.4 Оптимизация процесса сушки пивной дробины 98
Глава 4. Математическое моделирование процесса сушки влажной частицы пивной дробины в вихревой камере 113
4.1. Постановка задачи 113
4.2. Исходные уравнения 114
4.2.1. Поле скоростей в аппарате 114
4.2.2. Уравнения движения частицы 115
4.2.3. Уравнения тепло- и массообмена при сушке частицы пивной дробины 118
4.3 Численное решение задачи о движении частицы пивной дробины в процессе сушки 120
4.4. Результаты расчетов процесса движения в аппарате частицы с изменяющейся массой 123
Глава 5. Разработка перспективных сушильных установок для сушки пивной дробины 130
5.1. Сушилка с активной гидродинамикой и пофракционной обработкой материала 131
5.2. Сушилка с пофракционным разделением материала 134
5.3. Сушилка для осуществления способа получения пищевой био добавки 138
5.4 Расчет экономической эффективности 144
Основные выводы и результаты 150
Библиографический список 152
Приложение 163
- Основные способы утилизации пивной дробины
- Определение физико-механических свойств пивной дробины
- Гидродинамика закрученного слоя пивной дробины
- Исходные уравнения
Введение к работе
В настоящее время в динамике производства пива отмечается устойчивая тенденция высокого темпа роста. Производство пива связано не только с переработкой большого количества сельскохозяйственного сырья, но и с образованием отходов. Оставшиеся от использования в основном производстве продукты являются отходами, но при полном и рациональном использовании в народном хозяйстве страны они становятся вторичными материальными ресурсами (BMP). Последние позволяют расширить ассортимент продуктов пищевого, кормового и технического назначения, создать медицинские препараты, иметь дополнительные источники сырья, оздоровить водную и воздушную среду в промышленных центрах, снизить расходы на очистку сточных вод предприятий перерабатывающей промышленности. При этом создаются предпосылки и реальные условия для организации малоотходных и безотходных производств. Одним из видов отходов, используемых в дальнейшем, наряду с хмелевой дробиной и белковым отстоем являются избыточные пивные дрожжи [20, 22, 39].
Увеличение выпуска готовой продукции ведет за собой увеличение вторичных материальных ресурсов поэтому, перед пищевой промышленностью ставятся^большие задачи по улучшению использования исходного сырья за счет более рационального использования вторичных материальных ресурсов производства. Во многих отраслях пищевой промышленности (сахарной, спиртовой, пивоваренной и др.) вторичные материальные ресурсы производства по своему химическому составу и кормовой ценности являются ценным кормом для сельскохозяйственных животных. Организация использования вторичных материальных ресурсов производства пищевой промышленности поможет в решении одного из важнейших вопросов развития сельского хозяйства - создание прочной кормовой базы для животноводства [20].
Пивная дробина является вторичным материальным ресурсом пивоваренной промышленности и по своему химическому составу представляет собой ценный корм для животных. В ней находится около 3/4 всего количества бел-
8 ков и 4/5 жира, содержащегося в солоде. Влажность сырой дробины составляет 80...82% (на общий вес).
В настоящее время в России пивная дробина используется для нужд животноводства в сыром виде, что создает ряд трудностей, снижающих эффективность использования этого ценного корма. Это обусловлено, во-первых тем, что сырая дробина при хранения портится и становиться непригодной для скармливания, во-вторых - транспортировка сырой дробины из-за большого содержания в ней воды затруднительна и расходы по транспортировке сильно удорожают стоимость дробины [39, 59].
Необходимость консервирования сырой пивной дробины путем сушки диктуется тем, что в сухом виде дробина способна к длительному хранению и хорошей транспортировке, что обеспечивает рациональное использование этого ценного корма.
Обладая хорошей транспортабельностью, сухая дробина при ее использовании для производства комбикормов может в значительной мере способствовать рациональному регулированию кормовых балансов в животноводстве отдельных экономических районов России [20, 87, 113].
В промышленной практике широко распространены процессы сушки, в которых, обработка материала осуществляется во взвешенном слое, являющимся одним из действенных средств интенсификации производства. За счет использования взвешенного слоя удается сократить продолжительность обработки тех или иных материалов путем применения более высоких скоростей материальных потоков [25, 27, 66, 97].
Сушка - весьма сложный комплекс тепловых, диффузионных, биологических и химических явлений, особенно при интенсивных режимах. Интенсификация сушки невозможна без знания ее закономерностей, без глубоких предварительных исследований, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, использования обширного математического аппарата. Процесс сушки сопряжен с рядом специфических трудностей, среди которых основными являются: малая скорость процесса, неравномерность нагрева и влагоудаления, по-
9 жароопасность и др. Конечной целью сушки является получение качественного продукта, удовлетворяющего условиям хранения и транспортировки [25, 66, 68].
Интенсифицирование технологического процесса без снижения экономической эффективности работы сушильного аппарата, обеспечение высокого качества готового продукта с требуемой остаточной влажностью, возможно осуществить активизацией гидродинамической обстановки в аппарате.
Основными признаками активных гидродинамический режимов, по утверждению Б.С. Сажина [102], являются: развитая поверхность взаимодействия фаз, стабильность гидродинамической обстановки во времени по всему объему аппарата, а также увеличение относительной скорости движения фаз, снижение энергоемкости процесса и металлоемкости сушильной установки.
Повышение активности гидродинамической обстановки в сушильном аппарате связано с увеличением межфазных относительных скоростей, подвижности и столкновения частиц, а соответственно среднего коэффициента теплоотдачи, что существенно интенсифицирует процесс сушки [66, 102].
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что проблема утилизации пивной дробины путем ее сушки с применением активных гидродинамических режимов, и последующее использование в качестве основы для приготовления качественных комбикормов для сельскохозяйственных животных, остается на сегодня актуальной задачей для рассмотрения.
Основные способы утилизации пивной дробины
Основным способом утилизации ПД является использование ее в качестве корма (обычно для КРС [34, 54], но отчасти и для свиней, овец, кроликов, лошадей, карпов и др [98,115]).
Свежая ПД в качестве кормового средства обладает рядом недостатков:- малая стойкость при хранении, вследствие содержания в ней веществ, подвергающихся быстрой порче (срок ханения ПД не более 24 ч) [39, 49, 60];- неполная усвояемость отдельных ингредиентов скотом. Усвояемость безазотистых экстрактивных веществ составляет 60 %, жира - 88 %, клетчатки - 40 % [42]. В отношении усвояемости белка сведения противоречивы: согласно одним данным [120], лишь 6 % белка, поглощенного скотом мясного назначения, воспроизводится как мясной белок, и даже при потреблении ПД скотом молочного назначения только 38 % белка превращается в белок, пригодный для потребления человеком; согласно другим [42, 49], усвояемость - при скармливании ПД молочным коровам повышаются надои молока, носодержание жирных веществ в молоке уменьшается [39,42];- цена ПД удваивается из-за трудностей транспортировки [20];- отмечен дефицит в ПД кальция [120].
В целях повышения сроков хранения целесообразно сушить пивную дробину. Для сокращения энергоемкости частично перед сушкой целесообразно обезвоживать пивную дробину прессованием до влажности 50...60 % путем переработки ее на обычном шнек-прессе и специальном прессе, который по устройству аналогичен шнековому транспортеру с конически сужающимся кожухом с отверстиями[31, 39, 49].
Часто на отечественных пивоваренных заводах пивною дробину сдают на корм скоту в увлажненном виде, используя схему рис. 1.1. Пивную дробину из фильтрационного аппарата 4 разбавляют водой и центробежным насосом 3 перекачивают в раздаточные бункера 1. В них избыточная вода отделяется через ситчатое днище конусной части бункера аппарата. Густая часть дробины из бункера шнеком 2 выводится на погрузочную площадку.
Сухая дробина является высококачественным кормом, стойким при хранении и транспортировании. По содержанию белков она приближается к бобовым, крах мальных веществ в ней больше, чем в отрубях [98].В США [11] для сушки пивной дробины используются различные установки, одна из них, в частности, выпускается фирмой «Proctor and Schwartz».
В процессе, предложенном США, влажность ПД снижается обработкой ее на фильтрующей центрифуге грубой очистки [82]. Сушку ПД проводят в ротационных и пневматических сушилках при температуре не выше 60С во избежание снижения питательной ценности [20].
Однако сушка ПД обладает рядом недостатков: во-первых, высокая энергоемкость; во-вторых, потеря до 15 % сухих веществ при отжатии, предшествующем сушке; в-третьих, частичный переход белковых веществ ПД в непере-вариваемую форму [20, 69].
Предложено обезвоживать ПД до 30 % сухих веществ методом гравитационной фильтрации, предварительно смешивая ее с раствором коагулянта, что способствует формированию хлопьев, которые удерживаются на фильтрационной ткани [39].
Предложено также спрессованную ПД (с содержанием СВ 26,85 % трижды экстрагировать смесью пропанола (87,8 %) и воды (12,2 %), после чего влажность ее уменьшается до 7,4 %. Объединенные экстракты растворителя перегоняют, возвращая выделяемую азеотропную смесь на стадию экстрагирования ПД [83].
Сохранность ПД обеспечивают консерванты [44] и силосование [127]. Установлено, например, что эффективными консервантами для ПД являются растворы 0,4 %-ной пропионовой кислоты, 0,2...0,4 % -ной муравьиной кислоты, 0,4 %-ной смеси этих кислот. Обработка ими в количестве 1 % от консервируемой массы позволяет сохранить свежую ПД в течение 14 суток [34].
Предложены способы консервирования ПД силосованием, которое может производиться спонтанно или с применением химических средств в специальных хранилищах, снабженных дозирующими приспособлениями и подогревом раздаточного устройства, или в мешках из клеенки. Вследствие молочнокисло го брожения, происходящего при силосовании, повышается усвояемость белковых веществ ПД. Основным недостатком этого метода консервирования является необходимость транспортировки большого количества свежей ПД к местам силосования, находящимся на сравнительно большом удалении от пивоваренного завода [44].
Однако перечисленные выше способы повышения стойкости ПД не устраняют проблем при ее длительном хранении и транспортировке.В Великобритании предложен способ производства корма на основе ПД, предусматривающий обезвоживание ПД (25 % СВ) с последующим вводом воды и пищевой добавки [45].
Повышение кормовой ценности ПД предложено производить улучшением усвояемости ее ингредиентов: например, добавлять к влажной ПД каустическую соду, чтобы модифицировать кристаллическую структуру целлюлозы и разрушить лигнин-целлюлозные связи, что превращает компоненты ПД в более доступные формы для бактерий рубца скота [39, 127]. Для повышения кормовой ценности ПД, в частности, могут быть использованы ферментные препараты. При совместной обработке цитолитическими и протеолитическими ферментными препаратами 53 % сухих веществ было прогидролизовано до растворимого состояния [124]. При действии композиционных целлюлолитических ферментных препаратов на предварительно обработанную кислотой ПД, глубина гидролиза (по сухим веществам) составила 47 % [110].
Экстракт жидкой фазы ПД, содержащий липидные вещества, может быть использован в качестве пеногасителя [126].Другим направлением использования ПД является комплексная переработка отходов пивоварения и кооперирования пивоваренного производства и сельского хозяйства [22, 39, 71].
Предложено получать из отходов пивоварения этиловый спирт. В Великобритании ПД предложено включать, в схему, основными элементами которой являются солодоращение, производство сусла, теплицы, животноводческая
Определение физико-механических свойств пивной дробины
Одной из важных задач теории сушки является научное обоснование методов проектирования и расчета сушильного оборудования, увязанных со свойствами объекта сушки и закономерностями кинетики процесса [28].
Пивная дробина образуется в процессе фильтрования затора (смеси исходных зернопродуктов с водой, прошедших процесс варки для получения пивного сусла) как осадок после отделения жидкой фазы (пивного сусла).
Пивная дробина представляет собой полидисперсную систему, в которой содержатся частицы различного размера (оболочки зерна, неосахаренный крахмал и другие нерастворимые вещества эндосперма), а также вещества которые при затирании коагулировали и задержались в слое пивной дробины (белок, осаждающийся в результате кипячения затора, и продукты взаимодействия белка с дубильными веществами) [20, 30].
Физические свойства пивной дробины определяют такие характеристики как транспортабельность, слеживаемость и хранимость. Поэтому представляет интерес рассмотрение ее физико - механических характеристик.
Знание этих свойств позволяет сделать правильный выбор интенсивности пневморежима и рационально сконструировать конфигурацию и функциональные элементы сушильного аппарата.
Из графика представленного на рис. 2.2. видно, что с увеличением влажности удельный вес дробины уменьшается. Это объясняется тем, что с увели-чением содержания воды удельным весом при 293 К - 998 кг/м за счет соответствующего снижения содержания абсолютно сухого вещества с удельным весом 1250 кг/м3 приводит в конечном итоге к общему снижению удельного веса дробины [59,60].
При малых значениях влажности 0...12 % кривая удельного веса имеет более крутой характер, то есть отмечается более резкое снижение удельного веса. Это объясняется не только количественным изменением количества воды, а главным образом, качественным состоянием воды. В этом интервале влажности вода связана адсорбционными силами, которые сжимают ее огромными давлениям, отчего свойства воды изменяются и отличаются от обычных значений этих величин.
Насыпная плотность пивной дробины - это масса единицы объема. Она зависит от плотности и влажности отдельных частиц их формы, шероховатости и меняется в зависимости от способа засыпки его в объем, времени пребывания в объеме. Определение насыпной плотности необходимо для расчета производительности машин, транспортных элементов, емкостей и т.д. [15].
Согласно принятой нами методике насыпная плотность определялась литровой пуркой при температуре окружающего воздуха 293±1,5 К [35].
Измерения производились для массы частицы под действием гравитационной силы.Расчет производился по формуле: где рн - насыпная плотность, кг/м ;G - масса образца, кг; V - объем образца (0,001 м ). При этом выполненные измерения в состоянии свободной засыпки позволили получить минимальную насыпную плотность.
Результаты опытов, проводимые с пивной дробиной, представлены на рис. 2.3. Из графика видно, что с повышением влажности W от 0 до 260 % насыпная плотность увеличивается, что объясняется увеличением коэффициента внутреннего трения. Насыпная плотность исследуемого объекта колебалась в пределах: 156,8...418 кг/м .
Величина насыпной плотности пивной дробины, как и других сыпучих тел зависит от плотности укладки частиц в слое, которая характеризуется коэффициентом плотности укладки:где, рн - насыпная плотность слоя, кг/м ;р- средняя плотность пивной дробины, кг/м .
На рис. 2.4 приведена зависимость К от W, которая показывает, что с увеличением влажности пивной дробины W от 0 до 260 % коэффициент плотности укладки увеличивается.
Анализ полученных данных показывает, что плотность укладки зависит от коэффициента внутреннего трения, формы частиц и их гранулометрического состава. На величину плотности укладки влияет способ загрузки пивной дробины и коэффициента внешнего трения. При воздействии статических и динамических нагрузок на аппарат находящаяся в нем масса уплотняется.
Полученные значения насыпной плотности пивной дробины позволили в дальнейшем рассчитать еще одну очень важную характеристику слоя дисперсного материала - порозность слоя:где рн — насыпная плотность продукта, кг/м3; р — удельный вес продукта, кг/м3.
Величина порозности зависит от формы частиц состояния поверхности и характера укладки частиц в слое, и не зависит от абсолютной величины геометрически подобных частиц слоя [12].Как видно из рис. 2.5, с увеличением влажности пивной дробины Wот 0 до 260 % величина Є уменьшается от 0,87 до 0,61.
Сыпучесть частиц пивной дробины характеризуется углами естественного откоса, под которыми понимается наибольший угол, который может образовывать свободная поверхность сыпучего тела с горизонтальной поверхностью.
Для идеально сыпучих тел угол естественного откоса равен углу внутреннего трения, а для связанных больше угла внутреннего трения [15, 78, 107].
Нами определена зависимость угла естественного откоса пивной дробины от влажности рис. 2.6.
Внутреннее трение частиц материала зависит от их подвижности в слое: чем большей подвижностью обладают частицы, тем меньше угол. Относительная подвижность слоя определяется наличием сил сцепления между отдельными частицами и величиной сил трения, возникших при перемещении частиц относительно друг друга.
Приведенный график показывает, что величина угла естественного откоса частиц пивной дробины возрастает с увеличением влажности, что объясняется действием молекулярных сил притяжения пленочной жидкости, находящейся на поверхности каждой частицы.
Для характеристики гранулометрического состава пивной дробины состоящей из частиц неправильной формы, определялся их эквивалентный диаметр, который принимался равным диаметру шара с объемом средней частицы [74]:где V = Gfnp4 - объем средней частицы, м3;G,n- соответственно масса произвольной навески, кг и число частиц в этой навеске соответственно.
Изменение эквивалентного диаметра частиц пивной дробины в интервале WOT 0 ДО 300 % приведен в приложении 1.
К характеристикам дисперсности материалов, состоящих из отдельных частиц (фракций) дисперсной фазы, которые могут находиться в различном состоянии (плотный и разрыхленный слой, псевдоожиженное и взвешенное состояние в окружающей газовой дисперсной среде) относится гранулометрический состав, размер частиц и кривые распределения частиц по размерам [73, 107].
Гранулометрический состав определяется методом рассева на ситах КСИ со стандартным набором сит. Размеры частиц полученных фракций ограничены размерами отверстий используемых в анализе сит (d,2-d\).Гранулометрический состав пивной дробины представлен на рис. 2.7 в виде гистограммы на рис. 2.8 в виде дифференциальной кривой распределения.
Гидродинамика закрученного слоя пивной дробины
Эффективность сушки во взвешенном слое во многом обуславливается особенностями гидродинамики процесса. Знание потерь давления в аппарате необходимо для анализа и расчета различных явлений, стабилизации течения, распределения концентраций, изменения турбулентности несущей среды, изменения толщины гидродинамического и пограничного слоев и т. д. [23, 102].
Пик давления Ар в аппаратах кипящего слоя нежелательное явление. Чем выше его значение, тем выше энергозатраты на псевдоожижение материала, тем менее экономичен процесс [23].
Выбирая конструкцию камеры для сушки пивной дробины, мы прежде всего руководствовались свойствами высушиваемого материала, слипание и комкование пивной дробины если не полностью, то в значительной мере устраняется в конических или коническо - цилиндрических камерах с нижним под водом газообразного ожижающего агента через отверстие в центральной части [68,73,97].
Исследование гидродинамики взвешенного закрученного слоя пивной дробины проводилось в коническо - цилиндрических камерах с углом при вершине конуса 15, 25, 35. Картина движения продукта в аппарате под воздействием осевого потока воздуха, имеющего температуру 293 К, изучалась в диапазоне скоростей воздуха от 4 до 14 м/с. Наблюдения за характером перемещения сыпучего материала в коническо-цилиндрическои камере позволяют отметить ряд специфических особенностей, присущих влажным полидисперсным смесям, подвергающимся ожижению в потоке газообразного агента.
На рис. 3.4. представлены кривые псевдоожижения осевым потоком воздуха в камерах с различным углом при вершине конуса для слоя пивной дробины влажностью W = 150 % и высотой Н0=120 мм.
На рис. 3.5 - 3.8. представлены кривые псевдоожижения осевым потоком воздуха в камерах с различным углом при вершине конуса для слоя пивной дробины с удельной нагрузкой на газораспределительную решетку Gyd и влажностью W= 150 %.
Прежде всего, необходимо отметить, схожесть картины в начальный момент псевдоожижения. При подаче осевого потока воздуха слой пивной дробины частично разрыхляется и набухает, что обуславливается некоторой миграцией частиц, преимущественно мелких фракций из глубины слоя к его поверхности. Дальнейшее увеличение расхода воздуха способствует нарастанию перепада давления в слое, а при достижении гидравлического сопротивления слоя некоторой критической величины наблюдается его взрывообразное разрушение с резким уменьшением сопротивления слоя за счет образования канала. Причем заметного скачка гидравлического сопротивления в момент расширения слоя не наблюдается, что может быть объяснено слабо организованной перестройкой структуры влажного полидисперсного продукта, частицы которого имеют склонность к агломерации.
В камере с углом при вершине конуса а=15, после взрывообразного разрушения слоя происходит возникновение канала, стенки которого непрерывно обрушиваются и восстанавливаются, перемещение слоя было неравномерным, отмечались агрегирование частиц, поршни, отдельные пульсации слоя достигали довольно большой высоты.
В камере с углом а=25, наблюдалось псевдоожижение слоя пивной дробины в разбавленной фазе, тяжелые и крупные частицы образуют стенки канала, а незначительная часть мелких частиц, вынесенных из стенок канала витают в ядре, отбрасываются к периферии и сползают к вершине конической части. Тяжелые частицы, выпадающие из стенок канала и вынесенные из слоя, прилегающего к газораспределительной решетке, перемещаются вдоль стенок канала и по мере выхода из него отбрасываются потоком воздуха к периферии аппарата.
В камере с углом а=35, прорыв слоя материала сопровождался образованием канала располагаемого на оси симметрии конической части. При этом края канала неровные, «кипение» и перемешивание материала отсутствовало.
Отмечено, что для слоя пивной дробины увеличение осевого потока воздуха не способствует развитию равномерного псевдоожиженного состояния, а приводит к образованию канала располагаемого на оси симметрии конической части.
Явная склонность к образованию сквозного канала в слое пивной дробины обусловлена рядом факторов: высокой влажностью, значительным различием геометрических размеров частиц, склонностью к агломерации, а также наличием перфорации в газораспределительной решетке, оказывающей влияние на истинное распределение скоростей воздуха над ней.
В режиме псевдоожижения в слое пивной дробины влажностью 150 % наблюдается типичное псевдоожиженное ядро с диаметром меньшим, чем диаметр аппарата. продукта в коническо-цилиндрическои камеры с гладкими стенками при отмеченных выше скоростях воздуха.
В технике псевдоожижения представляет интерес исследование воздействия на материал смещенного потока газа. В рассматриваемом случае исследуемый материал первоначально располагался в конической части аппарата, подача воздуха осуществлялась через тангенциальный ввод, располагаемый под газораспределительной решеткой. Псевдоожижение исследовалось в интервалах скоростей воздуха от 5 до 14 м/с, а осевой поток воздуха, подаваемый под газораспределительную решетку, отсутствовал.
Искусственное изменение направления потока воздуха в аппарате позволило выявить следующие особенности в движении продукта. Начало псевдоожижения характеризуется меньшей величиной общего перепада давления газа, чем в псевдоожиженном слое того же материала при подаче только осевого потока воздуха.
В камерах с углом при вершине конуса 15 и 25 картина поведения слоя материала имела идентичный характер. Так в начальный момент при увеличении скорости ожижающего агента, подаваемого тангенциально, гидравлическое сопротивление Арсл слоя возрастает по степенному закону. Такая зависимость характерна для режима фильтрации. При дальнейшем увеличении скорости воздуха до скорости потери устойчивости, в нижнем сечении слоя возникает воздушная подушка. При скорости воздуха, превышающей соответствующую Артах, сопротивление слоя падает, так как по периферии камеры, в месте соприкосновения слоя материала и стенки камеры образуется кольцевая воздушная прослойка, возникновение которой объясняется тем, что сила сцепления частиц материала с внутренней поверхностью камеры меньше, чем частиц друг с другом.
С последующим увеличением скорости воздуха происходит расширение воздушной прослойки с расширением слоя, образованием «трещин» и множеством небольших каналов по периферии камеры с выносом единичных частиц пивной дробины и в конечном итоге при прорыве слоя обеспечивается его обрушивание и интенсивное закручивание, а у стенок камеры наблюдается сползающий слой материала.
Замеченные отличия картины ожижения заключаются в следующем.В камере с а=15, увеличение скорости воздуха, подаваемого тангенциально, обеспечивает неустойчивый режим псевдоожижения с образованием пульсаций за счет подачи газа не по всему сечению слоя, а по некоторой его доле. Движение слоя продукта в конической части при тангенциальном подводе
Исходные уравнения
Определение поля скоростей в аппаратах со сложной геометрией и турбулентным потоком представляет собой сложную гидродинамическую задачу, на основе теоретических и экспериментальных исследований [65] предложены следующие зависимости для расчета поля скоростей газа в аппарате: где V , Vr, Vz - тангенциальная, радиальная и осевая составляющая вектора скорости сушильного агента; г - — - безразмерный текущий радиус; г (рт rvm - радиус, соответствующий максимальной тангенциальной скорости сушильного агента (совпадает с радиусом установки патрубка тангенциального подвода агента); к - показатель, характеризующий структуру закрученного потока сушильного агента; a - коэффициент, характеризующий турбулентную структуру потока агента; Vm - максимальная касательная скорость в месте тангенциального ввода в потоке сушильного агента; Е, = безразмерная длина камеры; г (рт L - длина камеры; с - параметр, характеризующий среднюю осевую скорость потока сушильного агента. Движение частицы в вихревой камере записывается на основании 2-го закона Ньютона[65, 73, 74]: где F і = mg - сила тяжести частицы; Из перечисленных сил, на движение частицы наибольшее влияние оказывают: сила тяжести и сила гидродинамического сопротивления частицы. В дальнейшем рассмотрении будем учитывать только влияние этих сил. Уравнение (4.5), записанное в цилиндрической системе координат имеет вид [65, 74, 102]: г; со - угловая скорость частицы относительно оси аппарата, рад; m - масса влажной частицы, кг; z,r, ср - цилиндрические координаты; Е, - коэффициент гидравлического сопротивления частицы; W2,Wr,W - осевая, радиальная и тангенциальная состовляющие относительной скорости, м/с. d4 - эквивалентный диаметр частицы, м; v - кинематический коэффициент вязкости воздуха, м7с Следует отметить, что формула (4.15) справедлива для ] Re 1000, соответствующих турбулентному режиму движения потока газа Начальные условия для истемы (4.6 - 4.8) имеют вид: частицы на стенке аппарата задаются из условия упругого удара: где U r - исправленные значения радиальной скорости, м/с. Масса влажной частицы определяется как сумма твердой части и воды: у где рТ, рж - плотность твердой фазы и воды, кг/м ; Влажная частица пивной дробины с начальной температурой Тч0, попадая в камеру, взаимодействует с потоком воздуха. За счет конвективного теплообмена к частице подводится теплота от горячего воздуха, которая расходуется на испарение воды и нагревание самой частицы на начальной стадии процесса. По истечении некоторого времени релаксации температура частицы становится равной температуре мокрого термометра. Уравнение теплообмена для частицы имеет вид: где сТ, сж - теплоемкости сухой пивной дробины и воды, Дж/(кг-К). „ dm Производная — характеризует изменение массы частицы вследствие испарения воды. Коэффициент теплоотдачи а определяется из критериального уравнения [73]: где Nu = ad4/X критерий Нуссельта; „ Wdu Re = - критерии Реинольдса; V Pr = критерий Прандтля; V X — теплопроводность воздуха, Вт/(м-К). Уравнение массообмена для частицы: /3 - коэффициент массоотдачи, м/с; Rn =461,9 Дж/кг-К - газовая постоянная водяного пара; RH - давление насыщенного пара на поверхности частицы, Па. Коэффициент массоотдачи ft рассчитывался на основе аналогии между процессами тепло- и массообмена [73]: где NuD - p-d4lD -диффузионное число Нуссельта; D - коэффициент диффузии, м /с; PrD =v/D - диффузионное число Прандтля. Зависимость давления насыщения Рн от температуры частицы Тч может быть получена путем интегрирования уравнения Клайперона - Клаузиуса [48]: где v , v" - удельные объемы воды и насыщенного пара, м3; АН - теплота испарения воды,. Дж/кг. Полагая, что водяной пар подчиняется уравнению состояния идеального газа Поскольку записанные ранее дифференциальные уравнения имеют нелинейный характер, представленная задача не может быть решена аналитически. Поэтому она решалась численно на ПЭВМ по методу Эйлера [33, 47]. Запишем дискретный аналог дифференциального уравнения (4.6): 1 Здесь / относится к настоящему, а. HI к последующему шагу по времени; Ах - шаг по времени, с.
Похожие диссертации на Исследование процесса сушки пивной дробины в аппарате с закрученным потоком фаз
