Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Конструкции кристаллизаторов, применяемых для получения молочного сахара 8
1.2 Анализ существующих теоретических представлений о процессе кристаллизации 13
1.3 Факторы, определяющие процесс кристаллизации лактозы при производстве молочного сахара 17
1.4 Устройство барботажных кристаллизаторов 20
1.5 Устройства для охлаждения воздуха 25
1.6 Задачи исследований 26
2 Теоретические исследования гидро- и термодинамики межфазных взаимодействий при кристаллизации лактозы с воздушным барботажным охлаждением кристаллизата 27
2.1 Новая модель роста одиночного сфероидного кристалла, падающего в пересыщенном растворе 27
2.2 Анализ гидро- и термодинамических условий процесса барботирования воздуха в кристаллизат 39
3 Моделирование процесса кристаллизации лактозы при охлаждении путем непосредственного барботирования холодного воздуха в кристаллизат 52
3.1 Экспериментальная установка и методики экспериментальных исследований 53
3.2 Результаты сравнительных исследований процесса кристаллизации лактозы при охлаждении путемнепосредственного барботирования холодного воздуха 57
3.3 Экспериментальные исследования процесса теплопередачи при охлаждении путем непосредственного барботирования холодного воздуха в кристаллизатор 68
4 Создание опытной установки и методики исследований 78
4.1 Устройство и принцип действия опытной барботажной установки для кристаллизации молочного сахара 78
4.2 Изоляция кристаллизатора 90
4.3 Получение холодного и горячего воздуха 92
4.4 Методики экспериментальных исследований 107
5 Экспериментальные исследования 109
5.1 Термодинамические испытания кристаллизатора с воздушным охлаждением и подогревом 109
5.2 Исследование изменения содержания сухих веществ в кристаллизате 113
5.3 Поиск оптимальных условий работы кристаллизатора с воздушным охлаждением и подогревом 116
6 Разработка опытной установки для кристаллизации лактозы с воздушным охлаждением и подогревом 137
6.1 Методика инженерного расчёта опытного образца установкидля кристаллизации лактозы с воздушным охлаждением и подогревом 138
6.2 Пример инженерного расчёта опытного образца установкидля кристаллизации лактозы с воздушным охлаждением и подогревом вместимостью 1т 145
Список литературных источников 153
Приложения
- Анализ существующих теоретических представлений о процессе кристаллизации
- Анализ гидро- и термодинамических условий процесса барботирования воздуха в кристаллизат
- Результаты сравнительных исследований процесса кристаллизации лактозы при охлаждении путемнепосредственного барботирования холодного воздуха
- Изоляция кристаллизатора
Введение к работе
Лактоза является единственным низкомолекулярным углеводом животного происхождения и одним из трех основных компонентов молока [1-3]. Уникальные физико-химические и биотехнологические свойства лактозы позволяют рассматривать данный углевод в качестве компонента продуктов функционального питания: детского и диетического, способствуя, таким образом, решению проблемы создания новых высококачественных легкоусвояемых поликомпонентных продуктов высокой биологической ценности [4-20]. Фармакопейная лактоза является незаменимым компонентом большинства медицинских препаратов. Лактоза улучшает вкусо-ароматические свойства и внешний вид колбасных, хлебобулочных и кондитерских изделий, напитков (алкогольных и безалкогольных), применяется в сельском хозяйстве (для кормления животных), в табачной промышленности (как адсорбент в сигаретных фильтрах), в косметике.
На практике молочный сахар традиционно получают путем выкристаллизации его из молочной сыворотки, которая является нормальным побочным продуктом при производстве сыров, творога и казеина. Ежегодное производство лактозы (молочного сахара) в мире достигло 660 тыс. т. В России, несмотря на практически неограниченные сырьевые ресурсы, в настоящее время используется около 10% лактозы. Потенциал объемов производства молочного сахара из имеющихся ресурсов молочной сыворотки превышает 90 тыс. т. в год. Следует подчеркнуть, что возможность получения молочного сахара из вторичных сырьевых ресурсов молочного производства исключает или снижает загрязнение окружающей среды.
Вопросам теоретического и экспериментального исследования процесса кристаллизации молочного сахара посвящены работы Розанова А.А., Храмцова А.Г., Фиалкова А.Н., Евдокимова И.А., Чеботарёва А.И, Полянского К.К., Шестова А.Г., Гнездиловой А.И., Перелыгина В.М., Кравченко Э.Ф., Куленко В.Г. Тем не менее, проблема кристаллизации
5 лактозы до сих пор имеет множество неразрешенных вопросов. Главными
недостатками процесса кристаллизации из растворов являются большая
продолжительность второй фазы процесса, которая обусловлена скоростью
роста кристаллов, и значительные потери кристаллизуемого вещества,
остающиеся в маточном растворе. Кроме того, этот процесс требует немалых
производственных площадей и значительных энергозатрат. Поэтому
исследование процесса кристаллизации и его аппаратурного оформления
является актуальной и своевременной проблемой, а также полностью
соответствует приоритетам Национальных проектов в области АПК
(молочное дело).
Работа выполнялась в период 2006 — 2009 годы, в соответствии с планом НИР Вологодской государственной молочнохозяйственной академии им. Н.В.Верещагина по теме: «Теоретические исследования гидродинамических процессов в машинах и аппаратах пищевых производств», номер государственной регистрации 01.2.00703838.
Цель исследований. Целью диссертационной работы является создание новой высокоэффективной установки для кристаллизации лактозы на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса кристаллизации лактозы.
Рабочая гипотеза. Была выдвинута гипотеза, заключающаяся в возможности интенсификации процесса кристаллизации лактозы путем создания кристаллизатора с барботажным воздушным охлаждением.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
разработана новая теоретическая модель роста одиночного сфероидного кристалла, падающего в пересыщенном растворе;
введено понятие граничного слоя, концентрация раствора в котором уменьшается до насыщенной и теоретически получена зависимость его толщины от размера кристалла;
получена теоретическая зависимость скорости роста кристалла лактозы от физических и гидродинамических параметров кристалла и раствора;
в результате теоретического анализа гидро- и термодинамических параметров воздушного пузырька в кристаллизате установлена оптимальная, с точки зрения теплопередачи, зависимость между конструктивными и эксплуатационными параметрами кристаллизатора;
экспериментально исследовано влияние термо- и гидродинамического фактора на процесс кристаллизации лактозы в кристаллизаторах с воздушным барботажным охлаждением и подогревом.
Практическая значимость работы:
предложена новая установка для кристаллизации лактозы, позволяющая интенсифицировать процесс роста кристаллов лактозы, увеличить производительность и снизить энергетические затраты;
разработаны оптимальные температурные режимы кристаллизации лактозы в кристаллизаторе с воздушным барботажным охлаждением и подогревом;
разработана методика термодинамического расчёта кристаллизатора с барботажным воздушным охлаждением;
разработана методика инженерного расчета новой конструкции установки для кристаллизации лактозы;
использованы в учебном процессе результаты исследований процесса кристаллизации лактозы в кристаллизаторе с барботажным воздушным охлаждением и подогревом;
испытана в производственных условиях установка для кристаллизации лактозы на ФГУП УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях: Международном семинаре «Современные направления переработки сыворотки», г. Ставрополь, 2006 г.; Международной научно-практической
7 конференции, посвященной 95-летию академии, «Наука - производству», г.
Вологда, 2006 г.; VII Общероссийской научной конференции «Успехи
современного естествознания», г. Сочи, сентябрь, 2006 г.; Международном
симпозиуме ММФ «Лактоза и ее производные», Москва, 14-16 мая 2007 г.;
Научно-практической конференции, посвященной 96-летию академии
«Научное управление качеством образования», г. Вологда, 2007 г.;
Международной научно-практической конференции «Современные аспекты
молочного дела в России», посвященный памяти Н.В. Верещагина, г.
Вологда, 2007 г.; I смотр-сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям
наук, г. Вологда, 2007 г.; Научно-методической конференции «Аграрная
наука - сельскохозяйственному производству. Инженерные науки», г.
Вологда, 2008 г.; II смотр-сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям
наук, г. Вологда, 2008 г.
Автор является обладателем именных стипендий губернатора Вологодской области на 2007/08 г и Президента РФ на 2008/09 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 2 статьях в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных материалов диссертации, в 18 статьях материалов научных трудов институтов, тезисах докладов конференций и 1 патенте, в общей сложности 21 труд.
Структура и объем работы. Структура диссертации соответствует логике научного исследования, состоит из семи глав, введения, заключения, списка литературы, приложений. Основной текст изложен на 161 странице машинописного текста. Список литературы включает 127 наименований.
Анализ существующих теоретических представлений о процессе кристаллизации
Кристаллизация - массообменный процесс, при котором происходит выделение твердой фазы из растворов, расплавов или паров. Необходимым условием протекания данного процесса в растворе является его пересыщение. Степень пересыщения увеличивается с повышением концентрации растворенного вещества, с понижением температуры раствора, с добавлением в раствор веществ, связывающих растворитель (воду) или уменьшающих растворимость («высаливанием»).
Различают изотермическую кристаллизацию (при постоянной температуре кипения), изогидрическую (при постоянстве количества растворителя) и изотермически-изогидрическую (когда убыль растворителя из возмещается внешней подпиткой раствора). Эта терминология условна, так как в действительности в кристаллизующейся массе наблюдаются нерегулируемые температурные поля [26, 27].
Процесс кристаллизации (образование новой фазы) условно делят на два этапа: образование зародышей кристаллов и их рост. Полагают, что рост кристаллов определяется, по крайней мере, двумя процессами: диффузией строительных частиц к поверхности растущего кристалла и введением их в структуру кристаллической решетки. Последний процесс, в свою очередь, разделяют на несколько этапов: адсорбция частицы поверхностью, миграция ее вдоль поверхности и ее непосредственное внедрение в кристаллическую решетку. Таким образом, на рост кристаллов влияют те факторы, которыми определяются вышеперечисленные процессы. К этим факторам относятся температура, интенсивность перемешивания раствора, наличие в нем примесей, степень пересыщения раствора, вязкость и т. п. Сложная зависимость скорости роста кристаллов от различных факторов привела к разработке большого числа теорий роста [28-39]. Однако до сих пор нет единого мнения, позволяющего адекватно объяснить все многообразие процесса кристаллизации.
Первой теорией, которая объясняла лишь равновесную форму образующихся кристаллов, явилась термодинамическая теория, предложенная Гиббсом, Кюри, а затем и Вульфом. [40-43]. Гиббс полагал, что всякая изолированная система абсолютно устойчива и стабильна, если при любом бесконечно малом изменении ее состояния, энтропия остается неизменной или уменьшается. Если же при некоторых конечных изменениях состояния энтропия возрастает, то система является относительно устойчивой. К таким системам относятся пересыщенный раствор, энтропия которого в результате кристаллизации возрастает на конечную величину. Согласно этой теории кристалл принимает такую форму, при которой его свободная поверхностная энергия минимальна, при этом кристалл данного вещества может иметь только одну, характерную для него, форму, что противоречит известным экспериментальным фактам о влиянии степени пересыщения, температуры и т.д. на габитус кристалла [44]. Таким образом, термодинамическая теория не объясняет конечных форм кристалла, что отмечал и сам Гиббс. Она справедлива лишь для микроскопических кристаллов, находящихся в равновесии с раствором. По мере увеличения размера кристалла, роль поверхностной энергии в значении полного термодинамического потенциала уменьшается.
Нерстом была предложена диффузионная теория кристаллизации, согласно которой скорость роста кристалла лимитируется процессом диффузии молекул растворенного вещества к поверхности кристалла. Он полагал, что поверхность кристалла покрыта тонким слоем неподвижного раствора, в котором концентрация снижается от средней величины в растворе до концентрации насыщения на самой поверхности кристалла. Этот поверхностный слой толщиной 8 и создает основное сопротивление для диффузионного перехода кристаллизующегося вещества из пересыщенного раствора на поверхность растущего кристалла. Справедливость диффузионной теории была доказана И.И. Андреевым [45], однако последующие исследования показали, что рост и растворение кристаллов идут с разными скоростями и при одном и том же пересыщении растворение происходит значительно быстрее роста. Экспериментально установлено, что повышение скорости движения раствора относительно поверхности кристалла увеличивает скорость его роста [46-48]. Некорректность диффузионной теории проявилась в недостоверности ее данных относительно процесса растворения, являющегося обратным процессу кристаллизации. Бертауд, а затем и Валетон [49-51] предприняли попытку усовершенствовать диффузионную теорию кристаллизации с позиции распределения концентрации в диффузионном слое, однако, это не позволило объяснить всех особенностей роста кристаллов, например их огранку плоскостями [52, 53].
Следующим этапом в развитии теории кристаллизации явилась попытка объяснить явления дислокаций на поверхности кристаллов. Молекулярно-кинетическая теория послойного роста кристаллов, предложенная Фольмером [54, 55], Брандесом [56], а затем Косселем [57, 58], Странским [59, 60] и Каишевым [61], основывается также на термодинамических взглядах Гиббса о скачкообразном росте кристаллов. Эта теория исходит из ряда упрощающих предпосылок: не учитывается влияние среды, предполагается, что рост кристалла происходит при очень небольших пересыщениях, а кристалл обладает идеальной структурой и т.п.
О.М. Тодесом [62] и С.З. Рогинским [63, 64] разработана аналогичная теория послойного роста кристаллов через двухмерные зародыши. Теории послойного роста кристаллов получили многостороннее экспериментальное подтверждение и наблюдалась многими авторами [65-71], однако, они предполагают, что толщина нарастающего слоя имеет порядок размера молекул и не могут объяснить наблюдаемый экспериментально факт, что толщина нарастающего слоя в действительности составляет тысячи молекулярных слоев [69, 72, 73]. Расчеты, проведенные в соответствии с теорией послойного роста кристаллов, показали ее полное несовпадение с экспериментальными данными: в практических условиях заметная линейная
Анализ гидро- и термодинамических условий процесса барботирования воздуха в кристаллизат
С целью обоснования возможности охлаждения кристаллизата барботированием воздуха и оптимизации процесса далее проведен теоретический анализ гидро- и термодинамических параметров воздушного пузырька в кристаллизате.
Процесс непосредственного воздушного охлаждения кристаллизата является достаточно сложным термо- и гидродинамическим процессом и зависит от многих взаимосвязанных факторов и сводится к теплообмену его с поднимающимися в нем отдельными воздушными пузырьками.
Образование воздушных пузырьков в кристаллизаторе происходит при истечении воздуха из специального распределительного устройства. При истечении воздуха из отверстий на образующийся газовый пузырёк действуют силы внутреннего и внешнего давлений, а также поверхностного натяжения. При выходе воздуха из отверстия диаметром d пузырёк постепенно растёт и, достигнув некоторого диаметра 8, отрывается. Диаметру д соответствует равновесие действующих сил, которое для элементарной площадки df (рис.2.7.а) выражается уравнением [120]где p — давление внутри пузырька, Па;Рв, РкР - плотности воздуха и кристаллизата, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с"; а - поверхностное натяжение, Н/м;
Рис. 2.7. Образование газовых пузырьков: а — к определению размеров пузырька: Рв и Рн — силы внутреннего и внешнего давлений, Н; Ра — сила поверхностного натяжения, Н; R0 — радиус кривизны поверхности элементарной площадки df, м; z— расстояние от верхней точки пузырька до элементарной площадки df м; h0 — расстояние от свободной поверхности жидкости до верхней точки пузырька, м; б — внутренняя циркуляция в пузырьках.Тогда давление внутри пузырька подчиняется зависимости:
Если учесть, что действительный диаметр пузырьков b=2R0 зависит от физических свойств кристаллизата и воздуха (ркр, рв, о) и скорости истечения пузырька из отверстий барботера, а, следовательно, от диаметра отверстия d и расхода воздуха V м /с, то следует различать два режима истечения: свободный и цепочный. Первый из них наблюдается при малых значениях V и характеризуется существенным расстоянием между всплывающими пузырьками, то есть каждый новый пузырёк образуется после того, как предыдущий уже прошёл некоторый путь. При больших расходах воздуха происходит быстрое образование пузырьков, так что вблизи отверстия они касаются друг друга, образуя как бы цепочку.
На практике движение воздушного пузырька до момента достижения постоянной скорости сопровождается непрерывным изменением его формы, а также внутренними циркуляционными токами (рис.2.7б), что обуславливает необходимость применения критериальных уравнений.
Учитывая, что плотность кристаллизата ркр=\300 кг/м ; поверхностное натяжение кристаллизата 0=42,5-10" Н/м; кинематическая вязкость кристаллизата v= 16,16-10" м7с; динамическая вязкость кристаллизата / р =21 10"3 Пах; критерий Прандтля для воздуха Рг ==0,703; удельная теплоёмкость кристаллизата скр=Ъ290 Дж/(кг-С); теплопроводностькристаллизата /1=0,6 ; теплопроводность воздуха /1=0,026 им -К м-Кполагая, что начальная температура кристаллизата tHKp=60C; конечнаятемпература =10С; температура охлаждающего воздуха te=5C; средняяразность температур между воздухом и кристаллизатом Atcp=30C проведеманализ гидро- и термодинамических параметров воздушного пузырька вкристаллизате.
Зависимость размера воздушного пузырька от диаметра отверстия в барботере и расхода воздуха через отверстие представлена на рисунке 2.7. Получается, чем больше расход воздуха, даже при одном и том же диаметре отверстия барботера, тем больше диаметр воздушного пузырька. Причем увеличение диаметра отверстия, например в 10 раз, от 0,0001 м до 0,001 м ведет к незначительному увеличению диаметра воздушного пузырька всего в 2 раза- от 0,0014 м до 0,0028 м при производительности К/=0,Ы0"бм /с.
Рассмотрим термодинамические характеристики воздушного пузырька, выходящего из отверстия d=0,0007 м.
Представляет интерес интенсивность изменения теплопередачи между воздушным пузырьком и кристаллизатом в процессе его движения. Если принять весь путь, пройденный всплывающим пузырьком /г=0,1 м и разделить его на участки по 0,5 мм, принимая на каждом участке температуру пузырька постоянной и равной его температуре на выходе из предыдущего участка, то изменение температуры по участкам будет соответствовать кривым на рис. 2.8.
Из рисунка 2.8 видно, что чем меньше подача воздуха и, соответственно, меньше размер воздушного пузырька, тем быстрее он нагревается до максимально возможной температуры, которая приближается к температуре кристаллизата. Если при маленьких расходах К/=0,1-10 6м3/с, 2= 0,5-1 (Г6 м /с и VJ=Q,\-IQ SM /с пузырек на пути /2=0,1 м успевает нагреться до температуры кристаллизата, то при повышении расхода до ) = 0,5-1 (Г5 м /с и выше - он нагревается всего до 43 С. Чем больше расход, тем меньше используется теплоотводящая способность воздуха. Это подтверждает зависимость, представленная на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Количество тепла, забираемого воздухом (на 1 м ) в процессе движения его в кристаллизате, при минимальном и максимальном расходах Vj= 0,1 10"6 м3/с и Vf= 0,1 10 4 м3/с
Поскольку цель воздушного охлаждения - отбор тепла от кристаллизата, который осуществляется в конкретном аппарате, то представляет интерес анализ влияния конструктивных и эксплуатационных параметров кристаллизатора. Основным элементом кристаллизатора, определяющим процесс теплопередачи между воздухом и кристаллизатом, является барботирующее устройство, в частности диаметр отверстий для выхода воздуха d и их количество п.
Проведем анализ влияния диаметра отверстий барботера и их количества на диаметр образующихся воздушных пузырьков при небольшом расходе воздуха 7=0Д-10"6м /с (рис. 2.10
Рис. 2.10. Зависимость диаметра образующегося воздушного пузырька от диаметра отверстий барботера при расходе воздуха F=0,1 -10 бм /с.
Как видно из рис. 2.10. количество отверстий при малых расходах воздуха практически не влияет на размер образующихся воздушных пузырьков. При увеличении расхода это влияние становиться заметным (рис. 2.11).
При малых расходах воздуха частота образования пузырьков из одного отверстия при малом их количестве, например п=5, во много раз больше частоты образования пузырьков из барботера с большим количеством отверстий. Таким образом, общее количество пузырьков, находящееся в кристаллизате и их диаметр, не зависят от количества отверстий в барботере.
Результаты сравнительных исследований процесса кристаллизации лактозы при охлаждении путемнепосредственного барботирования холодного воздуха
Результаты экспериментов по распределению кристаллов приведены в табл. 3.2-3.5 и нарис. 3.5 Исследования второй и пятой проб показали, что кривая дифференциального распределения размеров кристаллов не подчиняется общепринятому нормальному закону распределения. Пробы из каждого кристаллизатора показали, что «концентрация» кристаллов происходит в определённых диапазонах их размеров. Существуют «запретные» зоны размеров кристаллов, в которых количество кристаллов минимально. На рис. 3.5 хорошо видны, по крайней мере, две зоны «концентрации» кристаллов и две «запретные» зоны. Максимальное количество кристаллов имеет размер 26 и 60 мкм. Количество кристаллов размером «43 и 77 мкм - минимально. Очевидно, с уточнением расчётов и увеличением продолжительности процесса кристаллизации будут вырисовываться и новые зоны «концентрации» кристаллов и новые «запретные» зоны. Если, например, во второй пробе хорошо просматривается только первая «зона концентрации» и первая «запретная зона», то в пятой пробе чётко вырисовалась и вторая зона концентраций кристаллов, а также вторая «запретная» зона. На основании изложенной выше методики были сделаны расчёты по массе выкристаллизовавшегося молочного сахара для каждого экспериментального кристаллизатора. Результаты расчётов приведены в табл. 3.6-3.9 и отображены на рис. 3.6. х-№4 Рис. 3.6. Распределение массы выкристаллизовавшегося молочного сахара в экспериметальных кристаллизаторах по линейному размеру кристалла по результатам: а - второй пробы; б - третьей пробы; в — четвёртой пробы; г — пятой пробы Заметим, что количество кристаллов минимального размера максимально (рис. 3.5), тем не менее, их суммарная масса (рис. 3.6) незначительна. Следует отметить, что кривая массового распределения лактозы по размерам кристаллов имеет характерные для количественного распределения максимумы и минимумы. Как видно из (рис. 3.5), наиболее интенсивное образование малых кристаллов (размером 26 мкм) происходит при самой интенсивной подаче воздуха (относительное увеличение количества кристаллов составляет 22), при малой интенсивности подачи воздуха - 12. По всей вероятности, в нашем эксперименте это объясняется тем, что на границе раздела воздух — кристаллизат идёт интенсивное образование новых центров кристаллизации (рис. 3.7) [22]. В кристаллизаторах №1, №2, №3 образовалось молочного сахара значительно больше, чем в кристаллизаторе №4. Это говорит о том, что воздушное охлаждение и, главное, воздушное перемешивание оказывают положительное влияние на процесс кристаллизации. Однако этого нельзя сказать однозначно о среднем размере кристалла. Исходя из предположений о положительном влиянии нагревания на процесс роста кристаллов и их гранулометрический состав [122] проводились исследования влияния повышения температуры кристаллизата на средний размер кристалла и массу выкристаллизовавшейся лактозы. Кристаллизат перед взятием пятой пробы нагревался до 20С в течение двух часов, а затем в течение четырёх часов охлаждался барботированием холодного воздуха (tB=4C). Результаты эксперимента представлены на рис. 3.6 и в табл. 3.10. Для того чтобы увеличить выход молочного сахара необходимо иметь кристаллы большого размера, которые легче отделить от мелассы при дальнейшей технологической обработке. Очевидно, что относительная площадь поверхности кристалла (по отношению к массе кристалла) тем больше, чем меньше размер кристалла. Поэтому, чтобы интенсифицировать рост крупных кристаллов целесообразно несколько повысить температуру кристаллизата на короткий промежуток времени с тем, чтобы растворить мелкие кристаллы. При этом пересыщение раствора увеличивается и дальнейшее охлаждение приведёт к росту крупных кристаллов, что и подтвердили проведённые нами эксперименты. По-видимому, уменьшение массы выкристаллизовавшейся лактозы в кристаллизаторах №1 и №4 можно объяснить малой интенсивностью перемешивания, что и стало причиной замедления процесса кристаллизации. Теплопередача при барботажном охлаждении имеет сложный характер. Кроме охлаждения кристаллизата через границу раздела фаз будет иметь место испарение и унос пара с воздушными пузырьками, а также теплопередача в окружающую среду через стенки кристаллизатора и со свободной поверхности жидкости. С целью оптимизации конструктивных, эксплуатационных и технологических параметров кристаллизатора с воздушным охлаждением необходимо оценить влияние каждого из перечисленных выше факторов теплопередачи в процессе кристализации. Исследования проводились на описанной выше модельной установке, состоящей из трех кристаллизаторов с регулируемым барботажным воздушным охлаждением. Теплообмен между воздухом и кристаллизатом происходил во время подъёма пузырьков. Кроме того, охлаждение кристаллизата происходило через стенки и путем испарения со свободной поверхности. ) Рис. 3.8. Аппроксимированные графики изменения температур в экспериментальных кристаллизаторах: №1 - малая подача воздуха Гу=1,3-10"7м3/с; №2 - средняя подача =3-10-7 м3/с; №3 - большая подача Рз=4,3-10 7м3/с; №4 - механическое перемешивание без подачи воздуха
Изоляция кристаллизатора
Как показали априорные экспериментальные данные, теплопередача через стенки кристаллизатора достаточно интенсивна и может оказывать отрицательное влияние на стабилизацию температурных режимов процесса кристаллизации. Коэффициент теплопередачи через стенку кСт=&,6 Вт/(м -К) (глава 3, таблица 3.14), тогда как коэффициент теплопередачи от поднимающихся пузырьков воздуха к кристаллизату кпуз—\0 Вт/(м -К). Следовательно, для исключения влияния теплопритоков через стенки кристаллизатора их необходимо изолировать теплоизоляционным материалом.поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(,2 -к); 1стг-температура изоляции со стороны окружающей среды, fem2=19C; tcmX-температура изоляции со стороны аппарата, tcm=\\ С; tB- температура окружающей среды, С; Яи -коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м-К)[125].
В качестве материала для тепловой изоляции использована высокотемпературная теплоизоляция для промышленных трубопроводов KEFLEX SOLAR НТ (диапазон рабочих температур до 150С), имеющая коэффициент теплопроводности Яи = 0,04 Вт 1{м К).
Тогда коэффициент теплопередачи через изолированную стенку можно приблизительно (пренебрегая термическим сопротивлением стенки кристаллизатора) определить по формуле:где ас — коэффициент теплоотдачи со стороны кристаллизата к стенке кристаллизатора, Вт/(м -К):где Якр — теплопроводность кристаллизата, Якр = 0,6 Вт/(м -К).
Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха к стенке кристаллизатора, Вт/(м2-К):Скорость подъёма пузырька:
Критерий Нуссельта для кристаллизата относительно стенки кристаллизатора:где ReKp- критерий Рейнольдса для кристаллизата:93 Критерий Нуссельта для воздуха Если сопоставить полученное значение коэффициента теплопередачи при изолированной стенке с экспериментальными данными, то можно отметить, что он уменьшился приблизительно в 8 раз. Без учета термического сопротивления тепловой изоляции коэффициент теплопередачи составит:
Таким образом, расчетное значение коэффициента теплопередачи через стенку кристаллизатора без изоляции, полученное экспериментально, /ссг=8,6 Вт/(м -К) мало отличается от расчетного K"m = 8,2 Вт/(м -К), чтосвидетельствует о достаточной точности выбранной методики. Эксплуатационными характеристиками кристаллизатора являются расход горячего и холодного воздуха. Оптимальный расчетный расход холодного воздуха составил F=0,01 м /с. Если для получения холодного и горячего воздуха использовать вихревую трубу, то оптимальный режим ее работы обеспечивается при соотношении холодного и горячего расходов
Прежде чем подобрать воздушную вихревую трубу для получения холодного и горячего воздуха целесообразно провести проверочныеиспытания, которые позволили бы выявить характер распределения воздушных пузырьков в колонке при Рис. 4.10. Движение воздушных пузырьков в колонке
Предварительные испытания с подачей воздуха в колонку, заполненную водой, показали, что на практике подача такого большого количества воздуха приводит к слиянию отдельных пузырьков и вытеснению жидкости из объема колонки. Экспериментально установлено, что оптимальный расход воздуха в данной конструкции кристаллизатора значительно меньший, по сравнению с расчетным, и составляет К=0,001 м3/с. При таком расходе воздуха пузырьки поднимаются, практически не соприкасаясь друг с другом, обеспечивая интенсивную турбулизацию потока (рис. 4.10). Также, исключается слияние пузырьков, увеличивающее диаметр пузырька, его скорость и уменьшающее площадь свободной поверхности. В связи с уменьшением расхода воздуха через барботер, представилось целесообразным проверить его конструктивные параметры на их оптимальность. Рассчитаем оптимальное количество отверстий и их диаметр для оптимального экспериментального расхода воздуха F=0,001 м3/с из условия оптимального нахождения воздушного пузырька в кристаллизате с точки зрения передачи ему тепла от кристаллизата до равной ему температуры. Разделим столб жидкости на 10 участков высотой 0,1 м каждый. Поскольку максимальное изменение температуры наблюдается на первом участке, то разделим его дополнительно еще на 10 участков. Таким образом, получили 19 участков: первые 10 из
