Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Сушка жидких продуктов 13
1.1. Аппаратурное оформление процесса сушки жидких продуктов 13
1.2. Анализ математических моделей процесса сушки жидких продуктов в аппаратах псевдоожижеиного слоя 24
1.3. Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования 35
ГЛАВА 2. Исследование гидродинашческйх характеристик псевдоожиженного слоя в аппарате щелевого типа с тангенциальным вводом газа и разработка газораспределительного устройства 37
2.1. Газораспределительное устройство с регулируемым гидравлическим сопротивлением 37
2.2. О скорости начала устойчивого фонтанирования . 44
2.3. Экспериментальные исследования основных гидродинамических характеристик работы газораспределительного устройства 48
ГЛАВА 3. Разработка гидродинамической модели псевдоожиженного слоя в аппарате щелевого типа . 63
ГЛАВА 4. Моделирование процесса сушки мдких продуктов в аппарате щелевого типа с псевдоожиженным слоем инертных частиц 87
4.1. Об оценке числа тепловых единиц переноса в аппаратах псевдоожиженного слоя 87
4.2. Анализ влияния параметров процесса на температуру продукта 99
4.3. Модель сушки жидких продуктов в аппарате псевдоожиженного слоя щелевого типа для внешней задачи тепло- массопереноса 109
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования процесса сушки наполнителей сухих детских молочных смесей и разработка промышленной установки 124
5.1. Экспериментальные исследования процесса сушки наполнителей 124
5.2. Технологическая схема производства наполнителей с использованием аппарата псевдоожиженного слоя 142
Основные результаты работы 146
Литература 148
Приложение 159
- Анализ математических моделей процесса сушки жидких продуктов в аппаратах псевдоожижеиного слоя
- О скорости начала устойчивого фонтанирования
- Анализ влияния параметров процесса на температуру продукта
- Технологическая схема производства наполнителей с использованием аппарата псевдоожиженного слоя
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В ускорении научно-технического прогресса в различных областях производства большое значение имеет разработка высокоинтенсивных аппаратов большой единичной мощности. При создании таких аппаратов эффективно применять модульный принцип с использованием унифицированных узлов и агрегатов. Решение этих задач, поставленных "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" важно и для пищевой промышленности, поскольку предусматрива -ется увеличение выпуска продукции на 23-26%. Это в полной мере относится и к увеличению выпуска продуктов в виде сухих порошков, которые пригодны к длительному хранению, удобны в употреблении.
Одним из направлений развития современной сушильной техники, позволяющих интенсифицировать процесс, является использование метода псевдоожижения, который позволяет в ряде случаев повысить качество готового продукта, улучшить условия труда, существенно уменьшить габариты установки. В настоящее время в промышленной практике успешно используются аппараты псевдоожижеиного слоя различных конструкций, разработанных научными коллективами, возглавляемыми П.Г.Романковым, Н.Б.Рашковской, Б.С.Сажиным, В.Н.Марчев -сним, А.С.Гинзбургом, В.Е.Куцановой и др. Опыт работы различных отраслей промышленности подтвердил целесообразность использования аппаратов псевдоожиженного слоя щелевого типа с тангенциальным вводом газа, позволяющих применять известный принцип блочного масштабирования. Одним из путей совершенствования аппаратов такого типа является дальнейшая унификация элементов газораспределе -ния, что позволит использовать эти аппараты для обработки более широкого класса материалов. Исходя из этого, актуальной задачей является разработка типового модуля газораспределительного устрой-
ства аппарата щелевого типа с регулируемым гидравлическим сопро -тивлением каждой щели, что даст возможность работать и с относи -тельно низкими слоями дисперсного материала.
Для разработки методов расчета таких аппаратов необходимо дальнейшее развитие математических моделей процессов тепло- и мас-сообмена в псевдоожиженном слое, чему уделяется значительное вни -мание в работе.
Для сушки жидких продуктов часто используют вальцовые сушилки, основньши недостатками которых являются сложность конструкции, высокая металлоемкость и низкое качество получаемого на них про -дукта. Так, например, при получении наполнителей сухих детских молочных смесей "Малыш" для сушки суспензий из рисовой и ґречне -вой муки, применяют импортные двухвальцовые сушилки, которые фи -зически изношены и требуют замены. Проведение экспериментальных исследований по сушке жидких продуктов в аппарате щелевого типа с разработанным газораспределителем, а также развитие математических моделей позволят получить данные, необходимые для разработки технической документации на опытно-промышленный образец сушилки с псевдоожиженным слоем, которая в ряде случаев сможет заменить вальцовые сушильные установки.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР вузов Минвуза СССР по направлению сушки на І98І-І985 г.г., утвержденным 22.04-. 1980 г. и комплексной НТП "Продовольствие" Минвуза РСФСР, утвержденной приказом № 190 от 30.06.83 (тема 06.17).
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Разработать аппарат псевдоожижен-ного слоя, применимый для обработки широкого класса материалов и на основе математического моделирования и экспериментальных исследований предложить метод его расчета для сушки жидких продуктов в слое инертных частиц.
Исходя из этого поставлены следующие задачи:
разработать аппарат псевдоожиженного слоя щелевого типа с регулируемым гидравлическим сопротивлением газораспределительного устройства, применимый для обработки широкого класса материалов и позволяющий работать при сравнительно низких псевдоожиженных слоях, исследовать гидродинамические характеристики его работы;
развить гидродинамическую модель псевдоожиженного слоя в предложенном аппарате для относительно низкого слоя дисперсного материала;
предложить математическою модель сушки жидких продуктов в аппарате псевдоожиженного слоя инертных частиц и разработать алгоритм его расчета;
провести экспериментальные исследования сушки наполнителей сухих детских молочных смесей в предложенном аппарате с целью проверки адекватности развитых моделей и выработки практических рекомендаций.
Диссертационная работа состоит из пяти глав.
В первой главе рассмотрено срвременное состояние аппаратурного оформления процесса сушки жидких продуктов, проведен анализ основных типов конструкций аппаратов псевдоожиженного слоя и по -казана целесообразность использования аппаратов щелевого типа, которые, однако, требуют доработки с точки зрения повышения их универсальности. Проанализированы математические модели, описывающие процесс сушки жидких продуктов в псевдоожиженном слое и обоснована необходимость и актуальность данного исследования.
Во второй главе приведены результаты разработки и исследования газораспределительного устройства щелевого типа с регулируемым гидравлическим сопротивлением, получена полуэмпирическая зависи -мость для расчета скорости газа, соответствующей началу устойчи -вого фонтанирования дисперсного материала.
В третьей главе рассмотрена предложенная гидродинамическая модель псевдоожиженного слоя в аппарате щелевого типа для относительно низкого слоя дисперсного материала.
Четвертая глава посвящена разработке математической модели процесса сушки жидких продуктов в аппарате щелевого типа с псев -доожиженным слоем инертных частиц в условиях внешней задачи теп -ло-массоперенооа. Изложена методика исследования процесса межфазного теплообмена в аппаратах псевдоожиженного слоя. Проведена оценка влияния параметров процесса сушки на температуру пленок продукта в условиях контактно-конвективного подвода теплоты.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных иссле -дований процесса сушки суспензий из рисовой и гречневой муки в аппарате псевдоожиженного слоя инертных частиц с разработанным газораспределительным устройством. Предложена технологическая схема производства наполнителей сухих детских молочных смесей с использованием аппарата псевдоожиженного слоя.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Развита гидродинамическая модель псевдо -ожижеиного слоя в аппарате щелевого типа с относительно низким слоем дисперсного материала. Предложено математическое описание процесса сушки жидких продуктов на инертных частицах в аппарате щелевого типа для внешней задачи тепло- массопереноса и разработан алгоритм расчета аппарата. Разработана экспериментальная методика изучения процесса межфазного теплообмена в аппаратах псевдоожиженного слоя. Выбран параметр для сравнения аппаратов раз -личных конструкций по интенсивности межфазного теплообмена.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработано универсальное газораспределительное устройство с регулируемым гидравлическим сопротивле -нием, которое может служить основой для создания типовых элемен -тов газораспределения в аппаратах псевдоожженного слоя щелевого типа с тангенциальным вводом газа. Устройство обеспечивает зада -
ниє необходимого закона распределения газа по сечению аппарата и является беспровальным для дисперсного материала. На конструкцию устройства получено авторское свидетельство СССР на изобретение Ш 1113644.
Получена полуэмпирическая зависимость для расчета скорости газа, которая соответствует началу устойчивого фонтанирования инертного материала в аппарате с разработанным газораспределительным устройством. Развит метод отсечек, ноторый использован для оценки продольного профиля порозности восходящего потока частиц в аппарате щелевого типа. Предложено проводить сушку суспензий из рисовой и гречневой муки в аппарате псевдоожижеиного слоя инертных частиц с тангенциальным вводом газа.
Результаты исследований и предложенные технические решения использованы Всесоюзным научно-исследовательским институтом мо -лочной промышленности (ВНИМИ) совместно с Сибирским филиалом ВНИМИ при разработке технической документации на'установку сушильную Я9-КПС производительностью 500 кг/ч по испаренной влаге и установку Я9-0Л0 производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге. В настоящее время установка Я9-0Л0 смонтирована на заводе Гомельского областного производственного объединения молочной про -мышленности. Внедрение установок позволит отказаться от использования вальцовых сушилок, которые в основном закупают по импорту, улучшит условия труда, повысит качество готового продукта. Ожидаемый экономический эффект от внедрения установки Я9-КПС, подтвержденный ВНИМИ составит 117,6 тыс.руб. в год.
Анализ математических моделей процесса сушки жидких продуктов в аппаратах псевдоожижеиного слоя
Сушка жидких веществ в псевдоожиженном слое инертных частиц может проходить по различным схемам. Например, высушиваемое веще -ство наносится в виде пленки на инертные частицы, а отделение пленки происходит за счет ее истирания в порошок. Такой механизм наблюдали авторы работы [58] при сушке молочной сыворотки на фторопластовых частицах. Этот механизм характерен для процессов, когда силы адгезии пленки с инертными частицами превышают силы когезии в пленке.
Для ряда материалов процесс сушки может проходить так, что пленка продукта растет на инертных частицах и при достижении опре -деленной толщины раскалывается на крупнодисперсные осколки [82].
В некоторых случаях влажный материал может располагаться в основном между инертными частицами. В этом случае фактическая по -верхность массообмена может во много раз превышать поверхность инертных частиц, роль которых заключается в "перемалывании" влажного материала [74-].
В работе [45] выявлен механизм, согласно которому пленка продукта высушивается на инертных частицах до определенной влажности, после чего отделяется от них и досушивается до конечной влажности
в режиме пневмотранспорта во время движения в циклон. Как справедливо отмечает автор, такой механизм процесса будет в том случае, когда адгезионная связь высохшей пленки продукта к инертной частице мала, то есть пленка самоотслаивается. Аналогичный механизм происходит при сушке некоторых пищевых продуктов, исследованных в [39]
Нельзя согласиться с мнением [в], что отсутствие адгезионной связи у высушенной пленки продукта является достаточным основанием для осуществления процесса сушки на инертных частицах, йсследова -ния [39] по сушке молочно-картофельного пюре в слое фторопластовых частиц показали, что адгезионная связь с фторопластом отсутствует, тем не менее, процесс происходил неустойчиво. Устойчивость процесса характеризуется постоянством массы продукта, находящегося в слое [54]. Однако масса продукта в ряде экспериментов резко возрастала, и после прекращения процесса в слое было обнаружено большое количество картофельных гранул. Можно отметить, что вопрос об условиях, достаточных для проведения процесса сушки жидких продуктов в псевдоожиженном слое инертных частиц является сложным. Пока лишь следует, что наличие или отсутствие адгезионной связи высохшей пленки продукта с инертной частицей не является критерием для возможности осуществления процесса сушки. Здесь имеет значение и скорость сушки пленок, от которой зависит время пребывания в слое, и прочностные характеристики образующихся пленок, и ряд других параметров. Но одно условие является необходимым: инертные частицы не должны слипаться при подаче в слой жидкого продукта. Именно это условие не позволяет провести процесс в псевдоожиженном слое. Со -хранение сыпучести твердой фазы слоя обеспечивает его хорошее перемешивание и высокую интенсивность теплообмена с газом [92].
Итак, факторы, лимитирующие процесс, могут быть различными, например, скорость истирания или сушки пленок, слипание инертных частиц, гранулообразование. Наличие различных факторов, лимитиру ющих процесс, определяется многообразием механизмов сушки жидких продуктов в псевдоожиженном слое. Это разнообразие [45], в свою очередь, определяется свойствами высушиваемых продуктов, материа -лом инертных частиц и режимом сушки. Исходя из этого, и способы математического описания процесса должны быть различными.
Широкое распространение при описании процессов грануляции в псевдоожиженном слое получили кинетические уравнения для функции распределения частиц по размерам [79].
Вывод такого уравнения подробно рассмотрен в монографии Тодеса О.М. и др. [85]. В реальном аппарате псевдоожиженного слоя находится огромное число частиц, которое может исчисляться миллионами. Эти частицы движутся с различными скоростями и в разных направле -ниях. Капли раствора растекаются по поверхности частиц, высыхают и оставляют на поверхности слой осадка. Наращивание заметного слоя осадка происходит в течение значительного числа циклов, а сами частицы интенсивно перемешиваются. Как справедливо отмечено в работе, эти обстоятельства позволяют рассматривать подобный аппарат как систему с сосредоточенными параметрами, считать все частицы находящимися в одинаковых условиях и вводить усредненные характеристики снорости наращивания осадка.д - величина, обратная среднему времени пребывания частицв слое, с"1; N - число частиц, вводимых в аппарат в единицу времени ""1; скорости роста Л pff. Это допущение вполне оправдано, посколькучастицы совершают большое число циклов, а увеличение размеров час -тиц, при однократном попадании их в зону орошения, незначительно. Автором работы [4V] используется уравнение (I.I) в несколько модифицированном виде для описания кинетики роста пленок казеината натрия по толщине при сушке в виброкипящем слое фторопластовых частиц:где f(ftp,T) - плотность функции распределения пленки продукта в слое инертных частиц по толщине, м" ; А (&п,Т) линейная скорость роста пленки по толщине,fH(vntT) - плотность функции распределения по толщине вновь вводимого в слой продукта, наносимого на чистую поверх -ность инертных частиц, м , Т0= 5 // Т) СІҐ - среднее время пребывания пленки про одукта в слое, с. Однако непонятно, о какой линейной скорости роста пленки по толщине может идти речь, если при повторном попадании в зону орошения пленка продукта может увеличить свои размеры вдвое. Если учесть, что время цикла инертной частицы много больше времени ее пребыва -ния в зоне орошения, то рост пленки по толщине можно считать скачкообразным. В связи с этим данная модель представляется несовсем корректной, тем более, что для устойчивого протекания процесса, по мнению автора, необходимо, чтобы средняя продолжительность пребывания продукта в слое не превышала средней продолжительности цикла инертной частицы.
В работе [79] отмечается, что при сушке жидких продуктов на инертном материале высушенная частица образуется в результате одного или нескольких попаданий продукта на инертную частицу. Справед -ливо отмечено, что в случае многократного орошения инертной части -цы, учет дисперсности нанесения продукта во времени является суще -ственным. Автор описывает процесс для случая, когда лимитирующей стадией является сушка, интегродифференциальным уравнением Колмого-рова-Феллера:где Ши - удельная масса испаряемой влаги на единицу поверхности частицы (масса влаги за вычетом влаги высушенного про -дукта), кг м 6; r(tt?u) - плотность вероятности величины ти, ы2 кг"1; единичная функция; (.0 при ГПи О fM - плотность потока испарения, кг м"2с-1; Ти - среднее время между двумя нанесениями, с; ЛЦАШи) плотность вероятности величины АТПи » кг"1; _р А7Пц - увеличение массы за одно нанесение, кг м . Предложенное в работе математическое описание позволяет анализировать влияние ряда факторов на процесс сушки жидких продуктов в слое инертных частиц. Более подробно возможность применения этого метода для описания процесса сушки жидких продуктов в псевдоожижен
О скорости начала устойчивого фонтанирования
Важнейшим гидродинамическим параметром, необходимый для инженерных расчетов аппаратов с фонтанирующим слоем, является мини -мальная скорость газа при которой начинается устойчивое фонтанирование. В ряде случаев эта скорость может быть принята за рабочую, например, при сушке жидких пищевых продуктов в слое инертных частиц, когда лимитирующей стадией процесса является сушка и не требуется интенсивного гидродинамического режима для истирания сухих пленок.
Предложено значительное число формул для расчета скорости начала устойчивого фонтанирования [27,28,91,100,101,102,106,107, 109].
Из анализа работ видно, что имеются расхождения не только в количественной оценке влияния различных факторов на величину J0aVt9t » но и в их качественной оценке. Несмотря на это, данные для конических и цилиндрических аппаратов фонтанирующего слоя позволяют наметить следующую качественную тенденцию в изменении скорости начала устойчивого фонтанирования. Она возрастает с увеличением критерия Aj» , диаметра входного отверстия do и высоты неподвижного слоя Но Рассматривая предложенные зависимости, нетрудно заметить, что в отличие от критической скорости псевдо -ожижения, скорость начала устойчивого фонтанирования зависит от геометрии аппарата и высоты слоя дисперсного материала.
Следует обратить внимание на то, что показатели степени при do и Da отличаются по абсолютной величине. Диаметр аппарата DA оказывает большее влияние на скорость начала устойчивого фонтани -рования, чем диаметр входного отверстия do .
Вероятно, основные тенденции в изменении скорости начала устойчивого фонтанирования, рассмотренные для конических и цилинд-роконических аппаратов, должны выполняться и для аппаратов прямоугольного сечения с тангенциальным вводом газа. Для щелевых аппаратов с тангенциальным вводом газа наибольшее распространение получили зависимости вида [б0,83]:
По-видимому, удачным является использование для расчета скорости начала устойчивого фонтанирования - скорости витания частиц Re6Mi что позволяет учесть влияние коэффициента сопротивления частицы. Параметр Г$ер представляет собой отношение площади проходного сечения щели к площади зеркала слоя. В случае расположения зеркала слоя в зоне постоянного сечения аппарата, данное соотношение не учитывает влияния высоты слоя на скорость начала устойчивого фонтанирования.
Наиболее удачной, по нашему мнению, из предложенных зависи -мостей является уравнение, полученное Матуром и Гишлером [107] из экспериментальных данных на основе анализа размерностей:
Позже к подобному соотношению пришел Гхош [102], приравнивая мо -мент количества движения, полученный частицами, к моменту количества движения, потерянного потоком газа. Было допущено, что для достижения частицами вершины фонтана они должны приобрести ско -рость:и что число частиц, подряд следующих друг за другом в единицу времени, пропорционально l?/d . в результате получено уравнение:
Кроме численной константы уравнения (2.4) и (2.6) отличаются показателем степени при СІО/DQ . Эта разница [59] объясняется тем, что значительная часть газа, входящего снизу в аппарат, перетекает в кольцевую зону непосредственно над входным отверстием. По -этому момент количества движения, приобретенный твердыми частицами незначительно связан с первоначальным моментом количества движения газа, а не прямопропорционален ему.
Используя аналогичные допущения можно получить соотношение для скорости начала устойчивого фонтанирования, применительно к аппаратам прямоугольного сечения с тангенциальным вводом газа.
Количество движения, приобретаемое частицами в единицу вре -мени, будет равно: где tt - число частиц, способных проникнуть в фонтан из зонынисходящего движения с единицы длины желоба, м . Допускается, что количество движения, теряемое потоком ожижа-ющего агента в единицу времени, пропорционально первоначальному количеству движения:
В уравнении (2.8), в отличие от допущения, предложенного в работе [102], скорость газа - рассчитывается не на площадь входного отверстия, а на сечение фонтана oL , расположенное на уровне нижнего основания наклонной стенки. Решая уравнения (2.7) и (2.8) относительно Wg0 и приводя полученное соотношение к 40itsjjp умножением обеих частей на о/Ь , получим:
Согласно выражению (2.10), задачей исследования является экспериментальное определение коэффициента пропорциональности Ао . Наибольшее влияние на 4&НУ. Р. оказьшает диаметр частиц, ширина же -лоба В . В меньшей степени проявляется зависимость от высоты неподвижного слоя и плотностей твердой фазы и сушильного агента.
Для исследования ряда гидродинамических параметров псевдо -ожженного слоя при использовании газораспределителей щелевого типа был разработан специальный экспериментальный стенд. Схема стенда представлена на рис.2.4. Стенд состоит из электродвигателя I, воздуходувки 2, аппарата псевдоожижеиного слоя 3, измери -тельной диафрагмы 4. Стенд снабжен системой дифференциальных манометров 5 для измерения перепадов давлений в аппарате и на изме-рительной диафрагме.
Для визуальных наблюдений рабочий участок аппарата выполнен из органического стекла. Конструкция аппарата позволяет при помощи системы координатных устройств б варьировать угол раскрытия наклонной стенки оС , ширину желоба 3 % "живое" сечение газораспределительного устройства Го . Регулирование "живого" сечения осуществляется по принципу изменения шага пружны, вмонтированной в трубку, что описано ранее.
На стенде была исследована зависимость гидравлического сопротивления разработанного газораспределительного устройства от око -рости воздуха и проходного сечения газораспределителя. Результаты исследований представлены на рис.2.5, 2.6. На рис.2.5 скорость газа -fct?0 рассчитывали на полное сечение выходного окна, высота которого составляла 20 мм. Высота входного окна составляла 30 мм, а внутренний диаметр трубки 40 ым. Проходное сечение газораспре -делителя (I отнесено также к полному сечению выходного окна. Полученные экспериментальные данные обобщены в виде зависимости коэффициента сопротивления г газораспределительного устройства от "живого" сечения (рис.2.б). Полученная кривая аппроксимирована
Анализ влияния параметров процесса на температуру продукта
Показателем термической устойчивости пищевых продуктов является максимально допустимая температура нагрева их в процессе сушки. В состав пищевых продуктов, кроме высокомолекулярных соединений (сахара, крахмал, белковые вещества, липиды и так далее), входят в небольших количествах биологически активные вещества (витамины, органические кислоты, полифенольные соединения), определяющие вкусовые качества и биологическую ценность продуктов. Эти биологически активные вещества наиболее подвержены влиянию высоких температур. Поэтому при расчете установок для получения сухих продуктов необходимо оценивать максимальную температуру нагрева продукта в процессе сушки.
Для оценки максимальной температуры нагрева материала в процессе сушки необходимо проанализировать механизм тепло- и массо-обмена при контакте материала с нагретой инертной частицей в условиях обдува ее сушильным агентом.
Наиболее просто провести приближенный анализ этого процесса на примере сушки тонких пленок материала, нанесенных на греющую поверхность, в условиях их обдува сушильным агентом. Процесс нагрева влажного материала во многом зависит от кинетики процесса сушки и условий подвода тепла.
Тепло, подводимое к высушиваемому материалу от греющей поверхности и от сушильного агента, расходуется на нагрев материала и испарение влаги.
Теплота, расходуемая на нагрев абсолютно сухой основы образ где CV - теплоемкость абсолютно сухой основы, Дж кг"1 К ; Шт- масса абсолютного сухого вещества образца, кг; іп - температура образца, С. Теплота, расходуемая на нагрев влаги: где Cg - теплоемкость воды, Дж кг""1 К , UT - влагосодержание образца (влажность, рассчитанная на абсолютно сухое вещество). Теплота, расходуемая на испарение влаги: где ґ - теплота парообразования, Дж кг"1. Теплота, подведенная к образцу от греющей поверхности: где ctK - коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к образцу, Вт и К х; іг - температура греющей поверхности, С; F - поверхность теплоотдачи, м . Теплота, подведенная к образцу от сушильного агента: где сі - коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к образцу, Вт м 2 К-1; Ь - температура сушильного агента, С. Таким образом, уравнение теплового баланса можно записать в виде: Вводя отношение поверхности к массе абсолютно сухой основы RF х -тг , можно уравнение (4.18) записать: Ют і + 0,)% +г -е,[«а- п)+«к({г.{п}] ( .i9) Введем следующие обозначения: сл- Сг + СвУт - теплоемкость влажного материала, Дж кг-1 К"1; 4 сс/оСк - безразмерная величина, дает соотношение скоростей подвода тепла к образцу конвекцией и кон-дун цией. С учетом введенных обозначений получим: Уравнение (4.21) дает возможность оценить температуру влаж -ного материала в любой момент сушки. Для того, чтобы воспользо -ваться уравнением (4.21), необходимо задать кривую сушки. Если температура сушильного агента меньше, чем температура образца, то уравнение (4.21) можно записать: Проанализируем уравнение (4.21) для периода постоянной скорости сушки. Определим температуру материала для этого периода. В этом случае —=- 5 /, ,_. = Кг » где Лх - скорость сушки, с . G учетом сделанных допущений решим уравнение (4.21) относительно температуры материала: где і п - температура материала в первом периоде сушки, С. Из (4.23) видно, что температура материала в первом периоде зависит прежде всего от температуры греющей поверхности tr , коэффициента теплоотдачи от греющей поверхности к материалу, от интенсивности отвода влаги (/fj), а также от удельной нагрузки Rp- щ . В меньшей степени іп зависит от температуры газа, так как для условий псевдоожиженного слоя А 1 (С -к) Таким образом, в отличие от конвективной сушки, температура материала в период постоянной скорости сушки может быть выше температуры мокрого термометра. И это отличие тем больше, чем выше коэффициент теплоотдачи от поверхности инертной частицы к мате -риалу. Данное обстоятельство налагает существенное ограничение на температуру инертных частиц, которая при сушке пищевых продуктов не может быть выше допустимой температуры нагрева материала. Для оценки влияния параметров процесса сушки на температуру продукта был разработан специальный экспериментальный стенд. Схема стенда представлена на рис.4.5.
Технологическая схема производства наполнителей с использованием аппарата псевдоожиженного слоя
На основании проведенных исследований была разработана технологическая линия по производству наполнителей для сухих детских молочных продуктов с использованием аппарата псевдоожиженного слоя, которая может быть применима для сушки ряда другие высоко -влажных продуктов.Схема установки изображена на рис.5.II.
Аппарат псевдоожиженного слоя представляет собой камеру прямоугольного сечения, в нижней части которой расположено газорас -лределительное устройство, выполненное в виде сборных модулей размером 0,5 х 0,5 м. Модульсодержит четыре желоба с тангенциальным подводом ожижающего агента (рис.5.10).
Использование газораспределительного устройства, состоящего из отдельных модулей существенно упрощает сборку аппарата, а также ускоряет этап разработки аппаратов различной производительно -с ти.
Исходный продукт подается объемным насосом I через систему распылителей 3 в сушильную камеру 4. Система распылителей состоит из пневматических форсунок. Каждая форсунка снабжена подстроечньш вентилем для возможности обеспечения равномерной подачи продукта в объеме сушильной камеры. Форсунки расположены на боковых наружных сторонах аппарата и обращены к зеркалу слоя. Расположение форсунок вне рабочей камеры облегчает мойку и упрощает регулировку производительности каждой форсунки. Установка форсунок выше зеркала слоя повышает равномерность распределения продукта на инертном материале и обуславливает предварительную подсушку влажных капель, что повышает надежность работы аппарата. Подача су -шильного агента производится двумя параллельно установленными вентиляторами высокого давления 5,6. Расположение вентиляторов в выходном тракте установки упрощает компановку схемы. Работа су -шильного аппарата под разряжением приводит к интенсификации процесса сушки, а также к самогерметизации установки.
Расход сушильного агента регулируется шиберами 7. Воздух, проходя через фильтры 8, нагревается в паровых калориферах 9.
На инертные частицы, находящиеся в псевдоожиженном состоянии, напыляется высушиваемый продукт, который высыхает за счет тепла, подводимого с сушильным агентом. Благодаря интенсивному перемешиванию инертных частиц высушенный продукт отделяется и уносится из аппарата теплоносителем, который проходит очистку в циклонах 10. Как показали проведенные исследования, процесс сушки наполнителей может быть осуществлен при различных параметрах. Снижение температуры теплоносителя на выходе из аппарата, а следовательно, повышение экономичности процесса, приводит к тому, что влажность готового продукта превышает кондиционную. Поэтому в схеме преду -смотрена вторая ступень-досушки в режиме пневмотранспорта, в ко -торую продукт попадает через шлюзовые затворы II. Анализ дисперсного состава готового продукта показал, что незначительная доля частиц может иметь диаметр, превышающий предельно допустимый. Поэтому в схеме предусмотрен виброклассификатор 14. Виброклассификатор представляет собой систему вибросит, расположенных в закрытом герметичном кожухе, снабженном шлюзовыми затворами.
Кондиционный продукт пройдя через сита попадает в пневмо -транспортную линию и направляется на фасовку.
Крупнодисперсные фракции направляются на дробление, после чего также в пневмотранспортную линию.
Бункер 20 служит для выгрузки инертных частиц и их мойки. Из бункера 20 инертные частицы шненовым устройством 16 направляются в загрузочный бункер 17, откуда самотеком направляются в аппарат. Выгрузка инертных частиц производится через затвор 19.
Сушильная установка снабжена предохранительным клапаном, служащим для сброса давления в камере в случае взрьша пылевоздуш-ной смеси.
Аппарат псевдоожижеиного слоя имеет сечение 2 н и рассчитан на производительность 500 кг/ч по испаренной влаге.
По разработанной технологической схеме и предложенным техническим решениям, Сибирским филиалом ВНИМИ совместно с ВНИМИ раз -работана техническая документация на установку сушильную Я9-КПС производительностью 500 кг/ч по испаренной влаге. Разработанную установку предполагается использовать для тепловой и гидромеханической обработки ряда продуктов молочно-консервного производства.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения установки для сушки наполнителей составит 117,6 тыс.руб. в год. 1. Развита гидродинамическая модель псевдоожижеиного слоя в аппарате щелевого типа для относительно низкого слоя дисперсного материала.2. Предложена модель сушки жидких продуктов в аппарате псевдоожиже иного слоя щелевого типа для внешней задачи тепло-массопе-реноса и разработан алгоритм расчета аппарата.3. Разработан аппарат псевдоожиженного слоя с регулируемым гидравлическим сопротивлением газораспределительного устройства, которое может служить основой для создания типовых элементов га -зораспределения в аппаратах прямоугольного сечения с тангенциальным вводом газа.4. Получена полуэмпирическая зависимость для расчета скоро -сти начала устойчивого фонтанирования при относительно низком слое дисперсного материала.5. Развит метод отсечек, который использован для оценки продольного профиля порозности восходящего потока частиц в аппарате . щелевого типа.6. Разработана экспериментальная методика изучения процесса межфазного теплообмена в аппаратах псевдоожиженного слоя. Выбран параметр для сравнения аппаратов различных конструкций по интен -сивности межфазного теплообмена.7. Экспериментально исследован процесс сушки наполнителей сухих детских молочных смесей в аппарате псевдоожиженного слоя о разработанным газораспределительным устройством. Определены параметры процесса, обеспечивающие получение продукта требуемого ка -чества.8. По результатам исследований и предложенным техническим решениям, Сибирским филиалом ВНИМИ совместно с ВНИМЙ разработана техническая документация на установку сушильную Я9-КПС произво -дительностыо 500 кг/ч по испаренной влаге и установку Я9-0Л0 производительностью 100 кг/ч по испаренной влаге. Ожидаемый экономический эффект от внедрения установки Я9-КПС составит 117,6 тыс. руб. в год.
В настоящее время установка Я9-0Л0 смонтирована на заводе Гомельского областного производственного объединения молочной промышленности.
