Содержание к диссертации
Введение
1. Пути интенсификации тепломассообмена при производстве низкотемпературных моющих средств (НТМС) 6
1.1. Перспективы производства и использования НТМС 6
1.2. Анализ путей интенсификации тепломассообмена в процессе сушки НТМС 14
2. Физико-химические, теплофизические и оптические характеристи ки НТМС как объекта сушки 33
2.1. Особенности пен НТМС как объекта сушки 33
2.2. Термодинамика взаимодействия НТМС с водой 34
2.3. Структурно-механические свойства пен НТМС 44
2.4. Плотность растворов и пен НТМС 48
2.5. Теплофизические характеристики растворов и пен НТМС 49
2.6. Оптические и терморадиационные характеристики пен НТМС 53
3. Исследование влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена при сушке НТМС 60
3.1. Исследование вакуумной пеносушки НТМС 61
3.2. Исследование конвективной пеносушки НТМС 75
4. Реализация физико-математической модели тепломасообмена ф при сушке НТМС 82
4.1. Расчет полей температур в тонком слое пены НТМС при радиационной вакуумной пеносушке 82
4.2. Уравнение выбора рациональных режимов в обобщенных переменных 86
5. Практические рекомендации по использованию результатов исследований для интенсификации тепломассообменных процессов при сушке НТМС 88
Общие выводы и заключение 94
- Анализ путей интенсификации тепломассообмена в процессе сушки НТМС
- Структурно-механические свойства пен НТМС
- Исследование конвективной пеносушки НТМС
- Уравнение выбора рациональных режимов в обобщенных переменных
Введение к работе
Актуальность работы. Существует проблема утилизации белоксодер-жащих отходов переработки мяса и рыбы, в рамках которой разработка технологии получения из них высокоэффективных моющих растворов (MP) для очистки промышленных емкостей при сравнительно низких температурных режимах является акту альной. При этом параллельно обеспечивается решение проблемы совершенствования операции зачистки резервуаров хранилищ, нефтеналивных судов, железнодорожных цистернотостатковнефтепродуктови утилизации образующихся при этомнефтешламо в. Однако транспортировка и хранение MP, получаемых путем химического или биохимического расщепления белков в условиях пищевых перерабатывающих предприятий, не эффективны. В технологии концентрированных низкотемпературных технических моющих средств (НТМС) самым энергоемким является процесс обезвоживания. Затраты нанего столь существенны, что дляодного предприятия зачастую строительство установок по утилизации отходов экономически невыгодно. Таким образом, интенсификация тепломассообменных процессов при производстве НТМС представляет научный и практический интерес.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с региональной «Программой восстановления и развития мясомолочной промышленности Чеченской Республики на2005-2009 гг.»,утвержденной Постановлением Правительства Чеченской Республики №795 от08 022005 г.
Цепью работы являются теоретические и экспер и ментальные исследования тепломассообмена в технологии НТМС для выборарационапьного режима сушки MP на основе белоксодержащих отходов и его аппаратурного оформления.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
проанализировать современное состояние получения и использования НТМС;
проанализировать способы сушки, конструкторские решения для их осуществления, определить пути интенсификации тепломассообмена при произвол стве Н ТМС;
- экспер и ментально и аналитически исследовать основные физико-
химические и теплофизические характеристики НТМС и его пен как объектов
сушки;
получить достоверный эксперименталыгый материал по влиянию фак-торовпроцессанаинтенсивность сушки НТМС;
разработать физико-математическую модель тепломассообмена в процессе сушки НТМС с анализом полей температур;
определить рациональные способы сушки НТМС, конструкторские решения для их осуществления, получить оптимальные технологические режимы.
Объект исследования. Тепло- и массообменные процессы при сушке НТМС.
Методика исследований. Теоретические исследования основаны на фундаментальных положениях теории тепломассообмена с применением численного расчета темп сратурных полей с учетом динамики изменения свойствНТМС
в реал том процессе, а также использовании при этом известных из литературы практических и экспериментальных данных.
Достоверность результатов исследования. Цель исследования достигнута благодаря обобщению, анализу и использованию классических и новых аналитических и эмпирических методов изучения тепломассопереноса на базе известных научных достижений и основополагающих работ в области сушки.
Достоверность экспериментальных исследований подтверждена использованием апробированных числанио-аналитических и статистических методов анализам обработки результатов измерений.
Научная новизна. На основе термодинамического анализа определены и математически аппроксимированы закономерности взаимодействия НТМС с водой.
Получены аппроксимирующие зависимости теплофизических, физико-химических и структурно-механических характеристик НТМС от влияющих параметров.
На основе выявленных особенностей механизма тепломассопереноса выбраны и обоснованы рациональные режимы обезвоживания. Получены аппроксимирующие уравнения целевой функции оптимизации в зависимости от основных факторов, влияющих на интенсивность конвективной сушки и сушки НТМС в вакууме.
Путем численной реализации физико-математической модели тепломассообмен ых'процессов получены поля температур при радиационной пеносушке НТМС в вакуумеи проведен их анализ.
На основе экспериментальных данных скорректированы коэффициенты критериального уравнения выборарациональных режимов радиационной вакуумной п єно сушки НТМС.
Практическая значимость работы. Результаты исследований предназна-ченыдля совершенствован и я технологи и производства НТМС, ее аппаратурного обеспеченияи выборарационалшогорежимаобезвоживания.
Предложен рациональный способ радиационной вакуумной пеносушки НТМС, рекомендованы рациональные режимные параметры вакуумной и технологически более простой конвективной сушки.
Наоснове выполненных исследований разработана конструкторская документация на стадии эскизного проекта опытного образца радиационной многодисковой вакуумной сушилки.
Внедрение результатов работы позюлит:
- сократить время сушки при сохранении высокого качества продукта;
-умен ьшитьудельные затраты энергии и материалоемкость оборудования;
- получить конкурентоспособный продукт, одновременно решая задачи
экологической безопасности.
Отдельные результаты диссертационной работы приняты к использованию и дальнейшему внедрению Грозненским отделением Северо-Кавказской железной дорога в технологиях зачистки эксплуатируемых предприятием нефтеналивных резервуаров. Анализ рекомендаций подтвердил актуатытость исследо-
ваний и экономическую эффективность внедрения результатов работы, что подтверждено предварительным технико-эко но мическимрасчетом.
Апробация работы. Основные положения и результаты работ по теме диссертации представлялись и докладывались: на Международной научно-технической конференции «АГТУ - 75 лет» (Астрахань 2005 г.), на Международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда 2005 г.), на Второй международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва 2005 г.), на Московской международной конференции «Биотехнология и медицина» (Москва 2006 г.). Результаты проведенной работы обсуждались на ежегодных научных конференциях АГТУ (2004-2006 гг.) и ежегодных научных конференциях Грозненского государственного нефтяного института им. акад. М.Д. Миллионщикова (2004-2006 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в томчисле5 вжурналах по перечню ВАКРФ.
Личный вклад автора. В диссертацию включ єн ы результаты, полученные лично автором, в том числе— с использованием консультаций научного руководителя.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 119 страницах машинописного текста, в том числе 3 таблицы, 44 рисунка, 11 страниц приложений, список литературы из 175 наименований работотечественных и зарубежных авторов.
Анализ путей интенсификации тепломассообмена в процессе сушки НТМС
Сушка - один из самых энергоемких процессов химической технологии (к которой относится произодство ТМС), а для многих производств и завершающий процесс, определяющий качество готового продукта. Актуальной задачей на сегодняшний день является интенсификация и оптимизация процесса сушки, что позволит повысить качество и улучшить условия хранения продукта, сократить продолжительность процесса, сберечь материальные и энергоресурсы, решить проблемы экологической безопасности. Создание высокоэффективного оборудования невозможно без решения следующих проблем: 1) разработки новых конструкций аппаратов, интенсифицирующих тепломассообмен; 2) разработки специальной сушильной технологии; 3) разработки оптимальных схем сушки; 4) совмещения процесса сушки с другими процессами. Ранее предпринимались попытки экономически обосновать выбор оборудования и разработать критерии оптимальности технологии сушки [59, 60, 62, 65, 66, 74, 82, 124]. Первые рекомендации по выбору рационального способа сушки предложены А.В. Лыковым [72]. В последствии эту проблему решали многие исследователи. Предлагались не только рекомендации по выбору способа сушки, но и алгоритмы определения рационального сушильного оборудования как для периодического, так и для непрерывного способов сушки, принципов выбора нетрадиционных способов сушки [125]. Существующие ТМС подразделяют на твёрдые, жидкие, пасты [39]. Предлагаемая технология предполагает концентрацию ИМР. Свойства исходного сырья - БСБ - не позволяют получать готовый продукт в виде пасты. Твёрдые ТМС производят в виде порошков, «чешуек», хлопьев [39, 81]. Наиболее распространенной формой ТМС являются порошки или гранулы. Более 90% всех выпускаемых твердых ТМС изготовляют путем распыления раствора или суспензии в закрытой камере с помощью воздуха, причем высушивание происходит либо за счет образования кристаллогидратов, либо просто путем испарения воды. Метод холодного распыления с образованием кристаллогидратов применяется в производстве мыльных стиральных порошков, а для получения ТМС не применяется. Высушивание за счет испарения влаги является основным способом производства твердых ТМС в виде порошков.
Сушку проводят в распылительной сушилке или в кипящем слое [39, 81]. Технологическая схема производства порошков ТМС включает следующие стадии: прием, хранение и подготовку сырья, приготовление и сушку композиции, введение нетермостабильных компонентов, расфасовку и упаковку, а также очистку отработанных газов. Существует два метода производства порошков периодическим способом с производительностью 30 тыс. т в год: метод фирмы «Кестнер» и метод фирмы «Лурги» [81]. Оба они предусматривают стадию сушки композиции в распылительной сушилке противотоком при температуре теплоагента 300...350С (по методу фирмы «Кестнер»), 250...280С (по методу фирмы «Лурги»), Технология получения порошков непрерывным способом включает те же стадии, что и периодический способ, однако имеет повышенную производительность (60... 100 тыс. т порошка в год) и, соответственно, большую распылительную сушильную установку. Методом распылительной сушки получают сыпучие порошки, которые не пылят, быстро растворяются в воде, имеют однородный состав. Содержание в них частиц размером 0,2...2,5 мм согласно принятым нормам должно составлять 80%. К недостаткам получения порошков распылительной сушкой относятся разложение ряда компо- нентов при повышенных температурах сушки и низкая кажущаяся плотность, что приводит к значительному расходу упаковочных материалов, а также высокий расход топлива и значительные удельные капитальные вложения. В настоящее время всё большее распространение получает технология с использованием кипящего слоя [39, 127]. Получение ТМС в кипящем слое происходит за счет контактирования распыленного форсункой жидкого сырья и сухих компонентов. При распылении твердые частицы внедряются в капли жидкости либо адсорбируются на них. Часть воды испаряется, а остальная ее масса так или иначе связывается с твердыми компонентами; некоторые из них образуют при этом кристаллогидраты. Для получения прочных гранул необходимо, чтобы сухое сырье содержало не менее 80% частиц с размером не более 0,2 мм или было предварительно гранулировано, а жидкое диспергировано до размера частиц 300...500 мкм. При псевдоожижении сыпучих и жидких компонентов максимальный прирост массы частиц наблюдается в течение первых 20...60 с. Процесс окончательного вызревания гранул заканчивается через 40...50 ч, что обусловлено перераспределением влаги внутри частиц; при этом уменьшается доля пылевидных частиц. Вызревание порошка, полученного распылительной сушкой, сопровождается увеличением доли мелких частиц. Все три стадии процесса грануляции проводят при температуре от 20 до 150С, используя для этого трехкамерные аппараты. В первую камеру подают воздух с температурой 120...150С, во вторую -100С и в третью - 20С. Жидкие компоненты подают для распыления при температуре 60...70 С. Поскольку при температуре в интервале 30...130С происходит дегидратация некоторых компонентов, "получаемые порошки содержат обычно около 5% влаги. Для получения ТМС псевдоожижением применяют также и аппараты виброкипящего слоя (ВКС) [83] производительностью 0,2...2,7 кг/с.
Аппарат ВКС снабжают газораспределительными решетками площадью 1...10 м при площади «живого» сечения 5,8...8%. Толщина решетки составляет 0,5...2,8 мм, частота ее колебаний 15...33 с"1 при амплитуде 1...1,2 мм. Высота псев- доожиженного слоя в аппарате достигает 160...180 мм. Расход воздуха на создание псевдоожиженного слоя колеблется от 1,4 до 14 м3/с, расход возду-ха на распыление - 0,05...0,08 м /кг. Производительность форсунок при распылении жидких компонентов достигает 40 г/с. Время пребывания материала в аппарате при максимальной производительности составляет около 7 мин. Такие аппараты обеспечивают производство ТМС мощностью до 60 тыс. т порошка в год. В аппаратах с кипящим слоем производительность, отнесенная кім2 решетки, составляет 0,08...0,3 кг/с по сухому сырью и 0,02...0,05 кг/с по напыляемой жидкости при расходе воздуха 0,2...0,5 м2/с. В конце 80-х гг. прошлого века впервые в СССР смонтирована линия производства белково-жирового концентрата Семипалатинском ордена Трудового Красного Знамени мясоконсервном комбинате им. М. И. Калинина по разработкам Казахского филиала Всесоюзного научно-исследовательского института комбикормовой промышленности ВНПО «Комбикорм» в содружестве с Институтом химических наук АН КазССР [76]. Исходным сырьём для неё, так же, как и в предлагаемой технологии является БСБ. После упаривания бульона в вакуум-выпарной установке да концентрации сухих веществ от 30 до 45% его высушивают на распылительной сушилке «Нема». Оптимальный температурный режим для высушивания белково-жировой эмульсии составляет на выходе из сушильной башни от 65С до 75С. Температура теплоносителя на входе в сушильную башню 160...170С. Расход электроэнергии на 1 т белково-жирового концентрата - 277 кВт-ч. Высушивание белковых концентратов можно проводить на форсуночной сушилке «Геринг», «Венулетта» и др. [121]. Распылительные форсуночные сушилки сравнительно просты, компактны и бесшумны в работе. Однако при подаче белково-жировой эмульсии форсунки часто забиваются (диаметр выходного отверстия форсунки до 1,2 мм), что приводит к остановке сушилки. При этом готовый продукт имеет повышенную влажность (9...10%). Предпочтительнее высушивание на сушилках с дисковым распылением [35]. В них эмульсии по трубопроводу внутри сушильной камеры поступают в полость вращающегося диска. Под действием центробежной силы эмульсия выбрасывается через отверстия диска и распыляется на мельчайшие белково-жировые капли. Эффективность сушки эмульсии определяется степенью их диспергирования, зависящей от окружной скорости вращения диска.
Структурно-механические свойства пен НТМС
В отличие от жидкостей пены имеют особенности, которые позволяют рассматривать их как структурированные системы, обладающие свойствами твердых тел [134]. Внешне это проявляется в способности пены сохранять определенное время свою первоначальною форму. Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек - пузырьков газа (пара), разделенных пленками жидкости (или твердого вещества). Обычно газ (пар) рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость (или твердое вещество) - как непрерывная дисперсионная среда. Разделяющие пузырьки газа жидкие пленки образуют в совокупности плёночный каркас, являющийся основой пены. Структура пены определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз, и в зависимости от этого соотношения ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную (полиэдрическую) форму [134]. Ячейки пены принимают сферическую форму в том случае, если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10...20 раз. В таких пенах пленки пузырьков имеют относительно большую толщину. Чем меньше отношение объемов газовой и жидкой фаз, тем больше толщина пленки. Ячейки пен, у которых это отношение составляет несколько десятков и даже сотен, разделены очень тонкими жидкими пленками; такие ячейки представляют собой многогранники. В процессе старения шарообразная форма пузырьков пены превращается в многогранную вследствие утончения пленок. Состояние пены с многогранными ячейками близко к равновесному, поэтому такие пены обладают большей устойчивостью. Многогранная структура пен описывается двумя геометрическими правилами. 1. В каждом ребре многогранника сходятся три пленки, углы между которыми 120 и равны между собой. Места стыков пленок (ребра многогранников) характеризуются утолщениями, образующими в поперечном сечении треугольник. Эти утолщения названы каналами Плато [134] (рис.2.4). Они представляют собой взаимосвязанную систему и пронизывают всю структуру пены. Аналогичной является система каналов, образуемых плоскими (или искривленными) пленками, площадь сечения которых меньше, чем каналов Плато. Эти каналы состоят из двух адсорбционных слоев молекул ПАВ и прослойки раствора между ними. 2. В одной точке сходятся четыре канала Плато, образуя одинаковые углы. Используя геометрические правила Плато, можно теоретически найти наиболее вероятную форму пленки пузырька.
Принимают следующие основные свойства, которые всесторонне характеризуют пенную систему [4, 134]: 1. Пенообразующая способность раствора (вспениваемость) - это количество пены, выражаемое объемом пены или высотой ее столба, которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение данного времени. 2. Кратность пены /? представляет собой отношение объема пены Vn к объему раствора Уж пошедшего на ее образование: где Vr — объем газа в пене. 3. Дисперсность пены, которая может быть задана средним размером пузырька, распределением пузырьков по размерам или поверхностью раздела раствор — газ в единице объема пены. 4. Стабильность (устойчивость) пены, т. е. время существования элемента пены (отдельного пузырька, пленки) или определенного ее объема. Изучение пен, образуемых в вакууме за счет самоиспарения и дегазации растворов в настоящее время затруднено ввиду отсутствия достаточно корректных методик и лабораторной техники. В этой связи ограничились исследованиями кратности пен, образуемых в реальном процессе при низком давлении, а прочие исследования свойств пены проводить на модельных, образованных в атмосферных условиях пеноструктурах, имеющих одинаковую кратность, а следственно, и плотность со вспененными в вакууме растворами. Кратность пены определялась, как где Vr и Уж - объемы газовой фазы и раствора, пошедшего на образование пены. Эксперименты по определению кратности пены при вакуумном вспенивании НТМС с использованием и без предварительного пенообразования при различных остаточных давлениях в вакуумной камере проводились по следующей методике: 1) 50 мл раствора НТМС с различными концентрациями помещались в мерных стаканах в вакуумную камеру. Давление в камере постепенно пони жалось и поддерживалось на определенных дискретных значениях в течение 10 мин. для образования пены. Определяя конечный объем пены, вычисляли кратность /?. До давления в камере .Р = 10 кПа вспенивания вообще не наблюдалось. При Р = 8 кПа в наличии было лишь слабое образование крупноячеистой пены на поверхности продукта. Интенсивное самоиспарение и дегазация раствора резко проявились при Р 5 кПа и в дальнейшем при понижении давления Р увеличилась довольно незначительно. 2) Предварительно вспененный раствор НТМС подавался через трубку в мерный стакан, находящийся в вакуумной камере при Р = 8 кПа. После визу ального определения объема поданной пены, давление повышалось до атмо- сферного и определялся объем выделившегося после оседания пены раствора, и далее - кратность /?. Повышение кратности пены /? при пенообразовании растворов с предварительным вспениванием обусловлено расширением газовой фазы (дегазацией) при низком давлении. Увеличение /? с ростом концентрации сн не характерно для пенообразования в атмосферных условиях, где обычно /? выше при меньших сн, что связано с изменением физико-химических свойств раствора, главным образом с изменением его поверхностного натяжения.
Однако в вакууме иной механизм генерирования пен. Так как вспенивание происходит в основном ввиду интенсивного внутреннего самоиспарения, то при повышении концентрации увеличивается количество центров парообразования. Текущая кратность пенослоя при условии отсутствия усадки (V= const) и с учетом предварительного вспенивания при пеносушке равна объём пустот для различных макропараметров пористости. На основе экспериментальных исследований и литературных данных получены аппроксимирующие экспериментально-аналитические зависимости для кратности пены НТМС от влажности при условии незначительной усадки материала в процессе высокоинтенсивной сушки. Обработка экспериментальных результатов позволила получить для НТМС зависимость начальной кратности пены от концентрации сн: Оценка достоверности аппроксимации R2 не менее 0,96. Для получения зависимости плотности пены от влажности W в реальном процессе сушки необходимо определить значение исходной плотности раствора рн, по изменению которой можно определить исходную плотность пены р\ Исследование зависимости плотности рн от влажности исходных растворов НТМС проводилось с помощью набора денсиметров при t = 20С. Обработка результатов показала линейный характер полученной зависимости: Рр = 1340,1 -338,6 , кг/м3, (2.29) Из-за высокой интенсивности процесс вакуумной сушки тонкого слоя пены протекает практически без изменения объема пеноструктуры. При постоянном объеме это приводит к снижению её плотности. На основе экспериментальных исследований получены аппроксимирующие экспериментально-аналитические зависимости для плотности от влажности в реальном процессе обезвоживания при условии незначительной усадки пены НТМС. При вспенивании объем системы увеличивается в /? раз. При этом плотность пены: Для определения текущей р" при постоянном объеме слоя пены воспользуемся формулой аддитивности: Для анализа тепломассообмена в процессе сушки и решения дифференциальных уравнений тепломассообмена необходимы изучение теплофизиче-ских характеристик (ТФХ) растворов и пен НТМС и их аппроксимация в виде функциональных зависимостей. ТФХ растворов и пен НТМС изучались экспериментально-аналитическим экспресс-методом комплексного определения теплофизиче-ских характеристик вязких, жидких, пастообразных и мелкодисперсных материалов, предложенным В.В. Красниковым, А.С. Паниным, В.В. Скверча-ком [68].
Исследование конвективной пеносушки НТМС
Для практической проверки теоретических положений термодинамического анализа при сушке НТМС во вспененном состоянии с различными видами энергоподвода и определения рациональных технологических режимов обезвоживания проведены исследования конвективной сушки НТМС. Основными факторами, влияющими на интенсивность тепломассообмена в процессе конвективной пеносушки являются: скорость теплоносителя (воздуха) V (м/с); температура теплоносителя (воздуха) t (С); толщина слоя пены h (мм); влажность теплоносителя (воздуха) (р (%); исходная концентрация сухих веществ сн (кг/кг). С целью сокращения времени сушки исходная концентрация сухих веществ сн принята максимально возможной при условии требуемой стабильности пены (гл. 2) сн = 0,65 кг/кг. Поскольку контроль влажности сушильного воздуха значительно усложняет промышленную сушильную установку, фактор р принимается не управляющим, а регистрируемым. Определяющие факторы и пределы их варьирования представлены в табл. 3.1. Эксперименты проводились на стенде для изучения конвективной сушки (рис. 3.17). Основу стенда составляет циркуляционный трубопровод (1), в котором вентилятором (9) создается поток циркулирующего по замкнутому контуру воздуха. Скорость воздуха регулируется заслонками (8) и определяется независимо с помощью анемометра (21) и диффманометра (13) в комплекте с диафрагмой (14). Влажность поступающего на сушку воздуха определяется по показаниям сухого (6) и мокрого (7) термометров. Продукт -слой пены НТМС требуемой толщины - наносится на пластину из нержавеющей стали, которая помещается на рычаг весов (5) в сушильной камере (2). Требуемая температура сушильного воздуха обеспечивается его нагревом в двухсекционном калорифере (3) и контролируется показывающим мостом (12) в комплекте с термометром сопротивления (4) и позиционным переключателем (11). Тепловая мощность обеих секций калорифера (3) регулируется лабораторными автотрансформаторами (17, 20) и контролируется по показаниям соответствующих вольтметров (16, 19) и амперметров (15,18). Продолжительность сушки рассчитывалась на основании кривых сушки (примеры приведены на рис. 3.18, 3.19), при этом конечное влагосодержа-ние определялось на основании изотерм сорбции (для сухого НТМС с WK = 7%). По кривым сушки строились кривые скорости сушки (примеры приведены на рис. 3.20,3.21).
Обработку экспериментальных данных проводили с использованием математического пакета MathCAD и процессора электронных таблиц Excel в среде Windows. Анализ зависимостей целевой функции Y от каждого фактора позволил определить рациональный режим процесса конвективной пеносушки, обеспечивающий максимальную эффективность процесса и высокое качество продукта: t = 100С; V= 10 м/с; h = 1,0 мм; сн= 0,65 кг/кг. При этих значениях целевая функция достигает величины F 4,3 кг/(м ч). Указанные параметры находятся на границе технологических ограничений, дальнейшие поиски максимизации процесса при принятом методе сушки нецелесообразны. При повышении скорости сушильного воздуха V наблюдается рост целевой функции Г(рис. 3.23), объясняемый увеличением теплоподвода к высушиваемому продукту за счет повышения коэффициента теплоотдачи от воздуха к слою продукта и роста коэффициента массоотдачи. Зависимость целевой функции Y от толщины слоя пены h имеет экстремальный характер (рис. 3.24), обусловленный взаимным влиянием двух факторов: с одной стороны - увеличением интенсивности тепломассообмена в процессе сушки при уменьшении толщины слоя, с другой - возрастанием съема сухого продукта при повышении удельной массы нанесенного продукта. Увеличение толщины слоя до h = 1,0 мм приводит к росту целевой функции Y из-за повышения съема сухого продукта несмотря на снижение интенсивности сушки. С дальнейшим ростом h интенсивность тепломассообмена резко снижается, что приводит к существенному падению целевой функции Y. При толщине слоя пены h 3 мм слой продукта, контактирующий с подложкой не высыхает за технологически обоснованное время. Это объясняется высокими изолирующими свойствами высохшего слоя, образующего на поверхности продукта «корку» (по структуре схожую с пенопластом), препятствующую тепло- и массообмену. У, кг/(мгчас) Результаты исследований аппроксимированы в зависимость целевой функции от основных влияющих факторов в виде полинома третьей степени (при рациональных значениях у = 20%, сн= 0,65 кг/кг): Зависимость статистически проверена на адекватность по критерию Фишера [54]. Оценка достоверности аппроксимации R2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров не менее 0,92. Сушка является не только тепломассообменным, но и технологическим процессом, в ходе которого изменяются технологические свойства высушиваемого продукта. Ввиду этого тепломассообмен в данном случае должен рассматриваться во взаимосвязи с его технологическими характеристиками.
В термолабильных материалах, к которым относится НТМС, основное значение имеет знание величины и распределения температуры в слое продукта в любой момент времени. В этом случае важным становится не только расчет кинетики сушки, но и расчет динамики процесса тепломассообмена - определение локальных влагосодержаний и температур в объеме высушиваемого продукта. Экспериментальное определение полей температур в слое вызывает значительные трудности из-за особенностей продукта (пена) и высокой интенсивности процесса [4, 84]. Ввиду сложности аналитического решения системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса при переменных коэффициентах и разнородных граничных условиях составлена программа метода её дифференциально-разностного решения по неявной схеме с учетом термодинамических параметров, динамики изменения комплекса свойств и характеристик продукта в реальном процессе, фазовых переходов и внутренних источников теплоты. В общем виде уравнение переноса теплоты при одномерной задаче (параметры меняются только по толщине слоя) в случае объемного энергоподвода имеет вид [72, 74]: Согласно методике [3] вместо dW/дт можно подставить дифференциальное изменение средней по слою влажности dW /дт а также с достаточной точностью принять коэффициент фазовых превращений є = 1, т.к. перенос влаги в процессе высокоинтенсивной сушки происходит в основном в виде пара при изотропности структуры (равномерности влажности W по слою). Учитывая изотропность структуры при сушке, теплопроводность X, температуропроводность а, теплоемкость ср практически не зависят от координаты по толщине слоя х, и, если вынести \(W,t) за знак дифференциала, разделить уравнение на cp(W,t) получим: Имея функции dW/дт = f(w) и, соответственно W = f(r), после преобразования (далее знак среднего и варьируемые параметры будем опускать) получим: Начальные условия для данной задачи зададим учитывая равномерное распределение температуры в начальный момент времени соответствующий начальной влажности Жнач в виде: при W = WHm T=TQ(K), т.е. Т(х, WKW) = TQ. При сушке тонкого слоя пены продукта на металлической достаточно массивной пластине граничные условия со стороны подложки зададим в виде однородных граничных условий 1-го рода: T(XQ,W) =rf(W). При облучении высокотемпературными источниками, имеющими температуру намного выше температуры высушиваемого продукта, теплообмен на границе задается граничными условиями 2-го рода. Таким образом, при РЖ-энергоподводе на поверхности слоя пены продукта имеют место граничные условия:
Уравнение выбора рациональных режимов в обобщенных переменных
На основе полученного методом анализа размерностей уравнения оптимизации в обобщенных переменных [4] с учетом экспериментальных данных скорректированы коэффициенты критериального уравнения выбора рациональных режимов. Практические рекомендации по использованию результатов исследований для интенсификации тепломассообменных процессов при сушке НТМС На основе проведенного литературного анализа, комплекса экспериментальных исследований, выбранного метода вакуумной радиационной пе-носушки и разработанных рациональных режимных параметров предложена конструкция промышленной сушильной установки. Она явилась результатом модернизации известной сушильной установки [5], в которой «узким» местом является устройство нанесения вспененного продукта на рабочую поверхность из-за затруднения регулировки толщины и равномерности наносимого слоя. Предложена оригинальная, более простая и надежная конструкция сушилки (рис.5.1). Увеличение удельной производительности с площади рабочей поверхности и объема вакуумной камеры, а также повышение качества получаемого продукта достигается тем, что рабочие поверхности вакуумной сушилки выполнены в виде дисков, насаженных на горизонтальный вал, а устройство нанесения вспененного продукта на поверхности дисков выполнено в виде ванны, в которую погружаются диски. Требуемая толщина и равномерность слоя пены обеспечиваются ножами-съемниками, образующими калибрующую щель с поверхностью диска, через которую проходит слой продукта. Снятые ножами излишки стекают в ванну. Для изменения толщины наносимого слоя продукта положение ножей съемников выполнено регулируемым. Для равномерного распределения подаваемой пены по ванне при соблюдении условий надежной регулировки расхода и дозировки пены, вспененный продукт подается к каждому диску по индивидуальной трубке. Это позволяет равномерно наносить вспененный продукт тонким слоем на рабочие поверхности сушилки. Устройство для съема сухого продукта выполнено в виде подпружиненных ножей. Удаление продукта из вакуумной камеры осуществляется шлюзовыми затворами, между которыми установлена промежуточная емкость.
Пеносушилка (рис.5.1) состоит из обечайки 3, закрытой крышками 2, образующими вакуумную камеру, ротора 6 с набором дисков-носителей 5, поверхностного конденсатора 1, смонтированного над вакуумной камерой, через пароотвод 11 которого сушилка соединяется с системой откачки. Инфракрасные излучатели смонтированы на панелях 4 между рабочими дисками на равном расстоянии от них. Между дисками расположены ножи, снимающие с дисков высушенный продукт. Ножи прижимаются к дискам пружинами. В нижней части вакуумной камеры смонтирована система удаления сухого продукта, состоящая из верхних и нижних управляемых задвижек, между которыми расположены шлюзовой затвор 7 со шнеком. Сбоку вакуумной камеры располагается система подачи исходного продукта, состоящая из патрубков, подающих продукт на каждую сторону диска. Сушилка работает следующим образом. Исходный продукт подается через индивидуальные краны на дозаторы. Из дозаторов вспененный продукт поступает в ванну, в которую погружены рабочие диски. Пена наносится на каждую рабочую поверхность диска, закрепленного на валу ротора. Слой пены, проходя через регулируемую калибровочную щель, приобретает требуемую толщину. При вращении ротора продукт попадает в зону энергоподвода инфракрасных излучателей. Испаряющаяся влага конденсируется в поверхностном конденсаторе и стекает через патрубок в систему откачки. Высохший продукт в нижней части дисков снимается ножами, прижимаемыми к дискам пружинами. В нижней части вакуумной камеры расположен шлюзовой затвор, выводящий готовый продукт из сушильной камеры. Скорость вращения дисков, тепловые потоки инфракрасных излучателей, максимальные величины давления в вакуумной камере регулируются. Разработана конструкторская документация на стадии эскизного проекта опытного образца радиационной многодисковой вакуумной сушилки. Результаты работы приняты для внедрения Грозненским отделением Северо-Кавказской железной дороги в технологиях зачистки эксплуатируемых предприятием нефтеналивных резервуаров (в .основном железнодорожных цистерн).
Вследствие высокой гигроскопичности (сорбционной способности) конечного продукта - сухого НТМС с высокодисперсной капиллярно-пористой пеноструктурой - целесообразно провести исследования и дать рекомендации параметров последующих операций (в частности, транспортировки и хранения). С этой целью и для проверки теоретических положений, изложенных в предыдущих главах целесообразно изучение кинетики влагопоглоще-ния и получение зависимости текущей влажности НТМС от времени сорбции и уровня активности воды. Сухие моющие средства, как высокодисперсные продукты, являются продуктами со сложным механизмом взаимодействия сухого скелета с влагой [82]. Возникает необходимость, определения рациональных промежутков времени для дальнейшей (после обезвоживания) переработки сухих пенопро-дуктов (упаковки, транспортирования, негерметичного хранения и т. д.) с целью сохранения технологических свойств НТМС в различных климатических условиях. Определяющими кинетику влагопоглощения являются особенности структуры исследуемого НТМС, обусловленные способом и режимами процесса сушки. Исследование кинетики сорбции проводились с НТМС, высушенными пеносушкой при различных уровнях активности воды Aw, выбранных на основании изотерм сорбции. Для сравнительной оценки этих данных использовались результаты изучения скорости влагопоглощения НТМС, обезвоженных конвективной пеносушкой. Эксперименты велись по методике И.А. Егорова [60]. Сухие навески НТМС с известной влажнотью, определяемой высушиванием образцов в вакууме до постоянного веса, помещали в эксикаторы над водными растворами серной кислоты необходимой концентрации для создания фиксированных Aw (0,3; 0,6; 0,8). Количество поглощенной из воздуха влаги определялось путем взвешивания навесок на аналитических весах с точностью до 0,0001 г через определенные промежутки времени. Графически полученные зависимости представлены на рис. 5.2.
