Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки свекловичного жома, теории сушки материалов перегретым паром 11
1.1. Свекловичный жом как объект сушки 11
1.2. Краткий обзор техники, технологии и теории сушки свекловичного жома 15
1.3. Основные сведения о применении вибрации в процессе сушки 27
1.4. Особенности процесса тепло- и массообмена при сушке материалов перегретым паром 33
1.5. Перспективы снижения расхода топливно-энергетических ресурсов в производстве сухого жома... 39
1.6. Цели и задачи работы 48
Г л а в а 2. Экспериментальное исследование структуры, физи ко-механических свойств свекловичного жома и гидродинамики виброкипящего слоя свекловичного жома, продуваемого перегретым паром 50
2.1. Определение структурных свойств объекта исследования 50
2.2. Исследование физико-механических свойств свекловичного жома 55
2.2.1. Экспериментальная установка и методика определения коэффициентов внутреннего и внешнего трения свекловичного жома 55
2.2.2. Зависимость коэффициентов внутреннего и внешнего трения от нормальной нагрузки и влажности свекловичного жома 60
2.3. Исследование гидродинамики виброкипящего слоя свекловичного жома . 66
2.3.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 66
2.3.2. Исследование порозности и гидравлического сопротивления виброкипящего слоя 72
2.3.3. Влияние режимных параметров на скорость вибротранспортирования свекловичного жома 80
Г л а в а 3. Экспериментальное исследование процесса сушки свекловичного жома перегретым паром атмосфер ного давления в виброкипящем слое 83
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований кинетики сушки 83
3.2. Влияние режимных параметров на процесс сушки свекловичного жома 84
3.2.1. Влияние температуры и скорости сушильного агента 84
3.2.2. Влияние параметров вибрации 89
3.2.3. Влияние удельной нагрузки и начальной влажности жома 92
3.3. Исследование процесса теплообмена при сушке свекловичного жома перегретым паром в виброкипящем слое. 94
3.4. Расчет продолжительности сушки и температуры нагрева свекловичного жома 98
3.5. Исследование качественных показателей свекловичного жома и кислотности отработанного сушильного
агента 108
Г л а в а 4. Составление статистической модели и оптимизация процесса сушки свекловичного жома перегретым паром в виброкипящем слое 111
4.1. Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 111
4.2. Анализ регрессионных моделей 113
4.3. Оптимизация процесса сушки 116
Г л а в а 5. Разработка способа сушки свекловичного жома 129
5.1. Установка для сушки жома 130
5.2. Разработка установки для сушки свекловичного жома в среде перегретого пара 134
5.3. Способ автоматического управления процессом сушки 137 свекловичного жома
5.4. Методика расчета разработанной схемы сушки свекловичного жома 143
Основные выводы и результаты работы # 151
Библиографический список
- Краткий обзор техники, технологии и теории сушки свекловичного жома
- Экспериментальная установка и методика определения коэффициентов внутреннего и внешнего трения свекловичного жома
- Влияние температуры и скорости сушильного агента
- Разработка установки для сушки свекловичного жома в среде перегретого пара
Введение к работе
В настоящее время отечественные сахарные заводы полностью обеспечивают потребности внутреннего рынка в белом сахаре. При этом за 2002 год было переработано 13,4 млн. т. свеклы [89]. Выработка сырого свекловичного жома, являющегося вторичным материальным ресурсом, составила более 10 млн. т. Основная масса жома используется в сельском хозяйстве в свежем и кислом виде, что значительно снижает эффективность использования этого ценного корма. Это обусловлено, во-первых тем, что сырой жом при хранении быстро портится, а во-вторых - транспортировка сырого жома из-за большого содержания в нем воды затруднительна и значительно повышает потребительскую стоимость жома [63, 73].
Обладая высокой кормовой ценностью сухой жом, учитывая масштабы производства, может в значительной мере способствовать в решении одного из важнейших вопросов развития сельского хозяйства страны — создание прочной кормовой базы для животноводства [7].
Отечественных сахарные заводы оснащены барабанными жомосушил-ками, большинство из которых находятся в нерабочем состоянии или физически изношены. Поэтому эти сушилки не отвечают современным требованиям к экологичное™ и экономичности производства.
Из барабанных жомосушильных установок в атмосферу выбрасываются мелкие частицы жома (жомовая пыль) и вредные для окружающей среды продукты сгорания топлива.
Расход условного топлива в барабанных жомосушилках на получение 1 т сухого жома составляет 0,6 т [63], что в связи с постоянно растущими ценами на энергоносители сдерживает его производство. Поэтому решение проблемы по снижению затрат на получение сухого жома является важнейшей для развития жомосушильного производства в нашей стране.
Наблюдаемая в последнее время тенденция к получению качественно новых продуктов питания предполагает использование различных наполнителей и добавок, вводимых в пищевую продукцию. К таким добавкам можно отнести и пектин, используемый в хлебопекарной и кондитерской промышленности, исходным сырьем, для производства которого может служить экологически чистый сухой жом [104]. Поэтому применяемые барабанные жо-мосушильные установки, использующие в качестве сушильного агента продукты сгорания топлива, не могут обеспечить получение сухого жома, который бы применялся при производстве пектина.
Сушка свекловичного жома перегретым паром позволяет обеспечить экологическую чистоту и экономичность производства, а также значительно интенсифицировать процесс сушки [63, 107 118]. Повышение экономичности процесса сушки, по сравнению с традиционным способом, достигается тем, что отработанный перегретый пар легко можно использовать для рециркуляции, технологических нужд или других целей. Кроме того, перегретый пар, являясь инертной средой, способствует сохранению качества готового продукта. Ряд исследователей [22, 42, 57, 97] отмечает высокие коэффициенты тепло- и массообмена при сушке перегретым паром, что обеспечивает интенсификацию процесса сушки и, как следствие, меньшее тепловое воздействие теплоносителя на материал. Данный способ получения сухого жома используется на сахарных заводах развитых западных стран.
Однако, несмотря на уже имеющийся зарубежный опыт, в литературе нет данных о теоретических и экспериментальных исследованиях процесса сушки свекловичного жома перегретым паром. Также отсутствуют решения по разработке высокоэффективных сушильных установок и способов автоматического управления процессом сушки жома.
Эффективность реализации указанного способа сушки во многом зависит от гидродинамики слоя. Для свекловичного жома, склонного к агрегати
рованию частиц, получить устойчивый активный гидродинамический режим без механического воздействия на слой практически невозможно.
Таким образом, учитывая сказанное, актуальным является изучение способа сушки жома перегретым паром с последующей разработкой сушильных аппаратов, обеспечивающих высушивание материала в активном гидродинамическом режиме.
Краткий обзор техники, технологии и теории сушки свекловичного жома
Применяемые в сахарной промышленности жомосушилки можно разделить на контактные, в которых обогрев жома производится водяным паром через стенку, и конвективные, в которых тепло передается жому при непосредственном соприкосновении с теплоносителем.
Паровые (контактные) сушилки не нашли широкого применения из-за большой металлоемкости и малой производительности, значительного расхода тепла. Хотя необходимо отметить, что жом, высушенный в паровых сушилках, очень высокого качества [61,91].
Наиболее широкое распространение у нас в стране и за рубежом для сушки жома получили барабанные сушилки [15, 67, 116]. В своих работах В.Д. Орлов [65, 67, 68] детально рассмотрел их преимущества и недостатки. Основные преимущества барабанных сушилок: - универсальность применения их для различных видов сырья; - надежность в работе; - возможность применения сушильного агента с высокой температурой (для жома 800...900 С), что снижает расход тепла на 1 кг испаренной влаги.
В то же время им присущи и существенные недостатки: - невозможность значительно интенсифицировать процесс сушки с целью увеличения производительности и повышения коэффициента использования тепла; - большая удельная металлоемкость, сложность в изготовлении и ремонте; - высокая температура отработанного сушильного агента (120..Л40С); - в процессе перемещения частиц жома с одной насадки на другую в области высоких температур имеет место полное сгорание мелких и частичное более крупных фракций материала, что приводит к потерям, снижению кормовой ценности и ухудшению качества готового продукта.
Совершенствование конструкций барабанных сушилок шло по пути возможности создания поперечного тока сушильного агента, противотока, увеличения скорости сушильного агента, использования лучистой теплоты барабана.
В ФРГ выпускалась скоростная ротационная сушилка Ван-ден-Броека, отличительной особенностью которой являлась более высокая производственная мощность [112]. Процесс сушки интенсифицировался за счет повышенной частоты вращения барабана (до 6 об/мин).
Известна конструкция комбинированной скоростной сушилки фирмы «Buckau Wolf» (ФРГ) [15]. В этой сушилке жом предварительно высушивается во вращающейся пневмотрубе при скорости сушильных газов до 40 м/сек., после чего поступает в жомосушильный барабан и досушивается до конечной влажности 10... 12 %. За счет большой скорости сушки в пневмовихревой трубе сокращаются потери тепла в окружающую среду и составляют примерно 3 %, по сравнению с 7...10 % в жомосушильных барабанах.
Кроме барабанных сушилок, известны другие конструкций сушилок для жома, представляющие интерес.
Так сотрудниками предприятия «Спецпромтех» и АО «Актив» совместно разработана [35] комбинированная сушилка для сушки свекловичного жома и фильтрационного осадка (рис. 1.4.), первая ступень которой - вертикальная шахтно-барабанная, а вторая - вращающаяся сушилка прямоточного действия. В основу конструкции положена идея о том, что свободная и связанная влага должна удаляться в разных аппаратах при различных тепловых режимах. На первой стадии процесса (в вертикальной сушилке) происходит в основном удаление свободной влаги, на второй — удаление связанной. Различные режимы сушки в обеих сушилках позволяют при высоком влагосъе-ме свободной влаги высушивать термочувствительные материалы с малыми коэффициентами влагопереноса без ухудшения качеств конечного продукта.
Однако данная конструкция является сложной и металлоемкой. Кроме того, происходит выброс в атмосферу отработанного теплоносителя, имеющего еще довольно высокую температуру (/ = 150 С).
Заслуживают внимание воздушные низкотемпературные сушильные установки для жома, в которых используется тепло вторичных энергоресурсов свеклосахарных заводов (утфельных паров, конденсатов и т.д.). В этих установках все отбросное тепло собирается в горячей воде и направляется к сушильному аппарату, который, как правило, состоит из конвейерной сушилки и развитой поверхности теплообмена (водяные калориферы). Наружный воздух вентилятором подается в калориферы, где нагревается до 65...75 С, и далее в конвейерную сушилку. В сушилке горячий воздух, высушивая жом, охлаждается до 40...42-С и выбрасывается в атмосферу. Такие установки получили широкое распространение в западных европейских странах [108, 109,110,116,119,122].
Экспериментальная установка и методика определения коэффициентов внутреннего и внешнего трения свекловичного жома
Коэффициенты внутреннего и внешнего трения являются одними из важнейших характеристик, определяющих физико-механические свойства свекловичного жома. Знание этих коэффициентов, в зависимости от нормальной нагрузки и влажности жома, позволяет организовать устойчивый активный гидродинамический режим и интенсифицировать процесс сушки жома при минимальных затратах энергии на перемещение и взвешивание материала.
В литературе [26, 56, 87] отмечается, что для установления сопротивления сдвигу в образце насыпного материала необходимо создать такое напряженное состояние, при котором касательные напряжения превышают сопротивление материала и происходит сдвиг с образованием определенных поверхностей скольжения.
Это достигается несколькими способами [56]: - поступательным или вращательным смещением части образца материала вместе с включающей его обоймой относительно остальной части образца; - раздавливанием образцов материала в условиях трехосного сжатия; - раздавливанием образцов материала в условиях одноосного сжатия; - вдавливанием в материал штампов; - проворачиванием в материале вдавленной крыльчатки с тонкими лопастями.
На основе анализа представленных способов и свойств свекловичного жома нами была сконструирована экспериментальная установка, позволяю щая получить сопротивление сдвигу жома при поступательном смещении части образца относительно остальной части, образца материшіа, Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 2.4.
Экспериментальная установка представляет собой сдвиговый прибор, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.5. Установка состоит из двух цилиндрических обойм диаметром 150 мм каждая. Высота нижней обоймы составляет 30 мм, а верхней 25 мм. Причем нижняя обойма 1 является неподвижной, а верхняя 2 - подвижной. Неподвижная обойма имеет днище 3, с которым она соединена наглухо. Испытуемый свекловичный жом засыпается в обе обоймы на полную высоту. Уплотняющая нагрузка передается на материал при помощи нагружающей системы, состоящей из жесткого штампа 4, коромысла 5 и набора гирь 6, установленных на чаше 7. Поверхность штампа, обращенная к жому, и поверхность днища являются рифлеными. Перемещение подвижной обоймы осуществляется под действием гирь 8, установленных на чаше 9. Шнур 10 соединяет подвижную обойму с чашей 9 через блок 11. Деформация сдвига определяется по индикатору 12 часового типа с ценой деления 0,01 мм. Прибор в целом является съемным и закрепляется на станине 13 при помощи винтов. Для установления полного равновесия была произведена тарировка прибора подбором добавочных металлических пластин, помещенных на чашу 9 с целью компенсации собственного сопротивления движению верхней обоймы и вращению блока.
Испытания жома на сдвиг проводили по упрощенной методике [87], которая заключается в том, что на первой стадии образец жома уплотняли, а на второй стадии производили собственно сдвиг.
Первая стадия состояла из следующих операций. Обоймы заполняли жомом, который разравнивали, и на его поверхность ставили штамп. На штамп устанавливали коромысло с чашей и гирями. Под действием веса гирь материал уплотняется. Для большей равномерности уплотнения штампу сообщали несколько (до 10) возвратно-поступательных движений в горизонтальной плоскости с отклонением от среднего положения на 10. После этого лишний жом выше уровня подвижной обоймы удаляли. На этом стадия уплотнения материала заканчивается.
Вес гирь для уплотнения образца на первой стадии выбирали с учетом веса штампа, коромысла, верхней обоймы и веса жома в верхней обойме. Как при уплотнении, так и при испытании на сдвиг следили за тем, чтобы между подвижной и неподвижной обоймами оставался небольшой (менее 1 мм) кольцевой зазор. Для его создания специальных прокладок не требуется, так как верхняя обойма удерживается в нужном положении за счет сил трения о материал. Наличие зазора служит гарантией того, что вертикальная уплотняющая нагрузка в плоскости среза передается только на материал и не передается на нижнюю обойму.
Испытание на сдвиг проводили при вертикальной нагрузке, составляющей 2/3 вертикальной нагрузки на стадии уплотнения жома. Усилие сдвига создавали постепенным добавлением гирь на чашу, соединенную шнуром с подвижной обоймой до тех пор, пока индикатор деформации не зафиксирует перемещение подвижной обоймы. В этот момент прекращали добавление грузов. Полученные значения сдвигающей и вертикальной нагрузок относили к площади среза и тем самым получали значения сдвигающего и нормального напряжений.
Из литературных источников [26, 31, 56] известно, что зависимость напряжения сдвига от нормального описывается соотношением: T = cf„+T09 (2.3.) где г-напряжение сдвига, Па; ст— нормальное напряжение, Па; /вн - коэффициент внутреннего трения; то — начальное сопротивление сдвигу, условно называемое сцеплением, Па.
Влияние температуры и скорости сушильного агента
Исследования влияния температуры и скорости перегретого пара на процесс сушки проводились со свекловичным жомом Калачеевского сахарного завода при его начальной влажности W = 600 %.
Результаты исследований представлены на рис. 3.1.-3.4.
Анализ влияния температуры и скорости перегретого пара на процесс сушки свекловичного жома в виброкипящем слое показывает, что процесс протекает в первом и втором периодах. При этом конденсации перегретого пара на поверхности частиц жома не наблюдается. Это можно объяснить высокими коэффициентами тепло - массообмена и высокой начальной влажностью свекловичного жома, вследствие которой уже в самый начальный момент процесса происходит испарение влаги с поверхности частиц. Изменение скорости и температуры сушильного агента не влияет на характер изменения кривых сушки жома. При этом большая часть влаги (порядка 75 % от общего количества) удаляется в периоде постоянной скорости сушки. Это объясняется тем, что свекловичный жом имеет развитую поровую структуру (см. раздел 2.1.), которая содержит значительное количество влаги в макрокапиллярах.
Влияние скорости и температуры перегретого пара на скорость сушки в первом периоде не одинаково. Так увеличение температуры от 393 до 453 К приводит к возрастанию скорости сушки в 2,2 раза, а увеличение скорости перегретого пара в 3 раза (от 1 до 3 м/с) способствует возрастанию скорости сушки в первом периоде лишь на 25 % [41]. Аналогично температура и скорость перегретого пара оказывают влияние на общую продолжительность процесса сушки.
При достижении материалом первой критической влажности наступает период падающей скорости сушки, который по характеру изменения кривой неоднороден (рис. 3.1., 3.2.). Вначале этого периода скорость сушки уменьшается по кривой, обращенной выпуклостью к оси абсцисс, а затем по кривой, обращенной выпуклостью к оси ординат. Точка перегиба во втором периоде сушки (вторая критическая влажность) условно разделяет влагу микрокапилляров и адсорбционно-связанную влагу. Влияние скорости и температуры перегретого пара на интенсивность сушки в этом периоде по сравнению с периодом постоянной скорости в целом не меняется.
На рис. 3.3. представлены кривые интенсивности сушки свекловичного жома при различных температурах перегретого пара. Значение интенсивности сушки вычислялось по формуле [9]: J-Z&-. (зло J 100F где Nj - скорость сушки в первом периоде, %/с; Gc - масса абсолютно сухих веществ в жоме, кг; F— поверхность испарения, м . Поверхность испарения, исходя из предположения, что в виброкипя-щем слое процесс испарения происходит по всей поверхности частиц жома, находили по формуле [85]: Р--Щ-. (3-2.) где G — масса влажного жома, кг; рм — плотность свекловичного жома, кг/м3; d3 - эквивалентный диаметр частиц жома, м. Для свекловичного жома, являющегося полидисперсным материалом, эквивалентный диаметр рассчитывался по формуле [9]: где JC, - массовая концентрация частиц жома диаметром dt; т - масса /-ой фракции, кг; п - число частиц /-ой фракции.
Из кривых интенсивности сушки свекловичного жома (рис. 3.3.) видно, что в первом периоде сушки интенсивность j линейно увеличивается с уменьшением влажности материала. Максимальная интенсивность сушки достигается при первом критическом влагосодержании, которое в зависимости от режима сушки, составляет W f = 120... 150 %. Увеличение у объясняется тем, что в процессе сушки частицы жома испытывают значительную усадку [61, 73] и, согласно формуле (3.2.), уменьшается поверхность испарения частиц жома. Но при этом в первом периоде скорость сушки остается постоянной, и в соответствии с формулой (3.1.) наблюдается увеличение интенсивности сушки. Во втором периоде сушки происходит резкое снижение у, обусловленное уменьшением скорости сушки жома.
Характер изменения температуры частиц свекловичного жома, наблюдаемый на кривых нагрева (рис. 3.4.), соответствует периодам постоянной и падающей скорости сушки. Как видно из графиков, материал прогревается до постоянной температуры очень быстро. Это обусловлено тем, что сушка осуществляется в активном гидродинамическом режиме, малым характерным размером частиц объекта сушки, а также высокими коэффициентами теплообмена.
Таким образом, время прогрева материала в среде перегретого пара происходит значительно быстрее, чем в среде воздуха [57]. Наличие периода постоянной температуры говорит о том, что интенсивность диффузии влаги превышает интенсивность влагообмена [9, 54]. При этом, как видно из гра Ь фиков (рис. 3.4.), в этом периоде сушки температура внутри частиц жома, в исследуемых интервалах температуры перегретого пара, не превышает 373 К. Данный факт можно объяснить особенностью структуры свекловичного жома, обладающего развитой поровой структурой, и высокой начальной влажностью материала. Таким образом, влага внутри частиц свекловичного жома, в периоде постоянной скорости сушки, перемещается в основном в виде жидкости.
Разработка установки для сушки свекловичного жома в среде перегретого пара
Продолжительность процесса сушки свекловичного жома перегретым паром определяли по хорошо известному методу обобщения экспериментальных данных [38], который позволяет выявить общие закономерности кинетики процесса сушки материала при различных режимах и рассчитать продолжительность процесса сушки.
Указанный метод обобщения основан на том, что при различных режимах процесса сушки, но при одной и той же начальной влажности материала W , экспериментальные кривые сушки практически совмещаются в единую кривую, называемую обобщенной кривой кинетики сушки
Это позволяет представить кинетику процесса сушки жома в первом периоде, при различных режимных параметрах процесса, уравнением следующего вида [38]: » = -АГ/г. (3.7.) Разрешив уравнение (3.7.) относительно г получим выражение для расчета продолжительности процесса сушки жома в первый период: Wc-Wc т,= "", (3.8.) где W j - первая критическая влажность жома, %. Анализ экспериментальных данных (рис. 3.1. - 3.8.) показал, что первая критическая влажность жома W } зависит от технологических парамет 99 ров процесса и приближенно является функцией скорости сушки в первом периоде N/. В результате математической обработки результатов экспериментов методом наименьших квадратов была получена эмпирическая зависимость: .= Г. (3.9.) где к - коэффициент, зависящий от начальной влажности жома. Для жома с начальной влажностью: W = 300 % к=95; Wj; = 600 % =105; JF; =900% =130. Максимальное среднеквадратичное отклонение от экспериментальных данных не превышает 5,6 %.
Второй период сушки при всех режимах начинается с W и гь равного длительности первого периода. Это время принимается за начало отсчета времени второго периода. Известно [53], что кривая сушки во второй период, построенная в полулогарифмической анаморфозе lg(W- Wcp) - Nit аппроксимируется ломаной линией, состоящей из двух прямых, пересекающихся в точке, соответствующей второй критической влажности W 2. Уравнения этих прямых будут иметь вид [38]: - wl =(К - w;)exp(-2?Kx t0; (ЗЛО.) ЖЗДЫ (3.11.) где Wp — равновесная влажность жома, %; К\ Кг — коэффициенты сушки, с"1; цит}- длительности 1-й и 2-й частей второго периода сушки. Величина коэффициентов К\ и Кг зависит от рода материала, его свойств, режима и метода сушки. Влияние режима на К\ и Кг может быть отражено величиной iV}- максимальной скоростью сушки при данном режиме в первый период сушки. Это возможно потому, что Ni является обобщенной 100 величиной, в которой отражено влияние всех параметров, воздействующих на скорость сушки данного материала, и, что очень существенно, это влияние распространяется на весь второй период сушки [38]. Изложенное позволяет предположить, что: K XxNu (ЗЛ2.) K2=Z2N{, (3.13.) где х\ ъхг- относительные коэффициенты сушки. Значения величин х\ и Хі не зависят от режима сушки и определялись по следующим выражениям [38]: fete - Wt) ig(w - Wcn ) = _5WJ p) M «p2 p/; (3.14.) NjTx Xi = (ЗЛ5.) NjT2
Расчеты, проведенные по уравнениям (3.14.), (3.15.), подтвердили, что величины Хл и 24 Для жома высушенного перегретым паром в виброкипя щем слое, можно считать независящими от режима сушки.
Входящая в уравнения (ЗЛО.), (ЗЛ1.) и (3.14.), (ЗЛ5.) величина Wcp представляет собой равновесную влажность жома. Из литературных источников [38, 52, 57, 58] известно, что если температура сушильного агента равна 100С и более, то Wcp практически равна нулю.
Общая продолжительность процесса сушки г состоит из продолжительности сушки в первом периоде tj и продолжительности сушки в 1-Й Ті и 2-й тг частях второго периода. Длительность периода прогрева учитывать не будем, исходя из того, что он на кривых сушки жома в развитом виброкипя-щем состоянии не наблюдается (см. раздел 3.2.).
