Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка основных задач исследований 18
1.1. Выпарные установки 18
1.1.1 Многокорпусные выпарные установки (МВУ). Методы расчета МВУ 18
1.1.2 Типы выпарных аппаратов и их применение для упаривания различных растворов и продуктов 20
1.1.3 Гидродинамика и теплопередача в выпарных аппаратах 22
1.2. Сушильные установки 36
1.2.1 Типы сушильных установок 37
1.2.2 Конструктивные особенности технологического оборудования распылительных сушильных установок 41
1.2.3 Основные процессы, происходящие в распылительных сушильных установках 45
1.3. Выводы и постановка задач исследований 54
2. Техника и методика проведения экспериментальных исследований 61
2.1. Техника и методика проведения экспериментальных исследований процессов в выпарных аппаратах 61
2.1.1 Техника и методика проведения экспериментальных исследований теплопередачи и гидродинамики на опытных вакуум-выпарных установках, оснащенных аппаратами пленочного типа 61
2.1.2 Техника и методика экспериментальных исследований процессов концентрирования продуктов в выпарных аппаратах циркуляционного типа 69
2.1.3 Техника и методика проведения экспериментальных исследований на промышленных выпарных установках 76
2.2. Техника и методика проведения экспериментальных исследований аэродинамики, гидродинамики, тепло- и массообмена в рабочих камерах прямоточных распылительных сушилок 82
2.2.1 Техника и методика проведения экспериментов на сушильных установках 82
2.2.2 Техника и методика исследований процесса диспергирования продукта с помощью пневматической форсунки 94
2.2.3 Техника и методика проведения экспериментальных исследований аэродинамики в сушильной камере промышленного масштаба 96
2.2.4 Техника и методика проведения экспериментов по изучению распределения скорости сушильного агента и плотности орошения продукта при диспергировании выпарным аппаратом 97
3 Исследование процессов, происходящих в технологическом оборудовании вакуум-выпарных установок 99
3.1. Основы математических моделей процессов, происходящих в вакуум выпарных установках и выпарных аппаратах 99
3.1.1 Математическая модель прямоточной вакуум-выпарной установки 99
3.1.2 Математические модели двухфазных потоков в теплообменных трубах плёночных выпарных аппаратов 103
3.2. Исследование теплопередачи и гидродинамики в пленочных выпарных аппаратах 119
3.2.1 Исследование теплопередачи в выпарных аппаратах с падающей пленкой 119
3.2.2 Экспериментальные исследования гидродинамики и теплопередачи комбинированных выпарных аппаратов 130
3.3. Экспериментальные исследования процессов концентрирования продуктов в выпарных аппаратах циркуляционного типа 141
3.3.1 Исследование процесса концентрирования молочной творожной сыворотки в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией 141
3.3.2 Экспериментальные исследования процессов концентрирования послеспиртовой барды в выпарных аппаратах циркуляционного типа 146
3.4. Исследование свойств химических веществ в процессе выпаривания 153
3.5. Основные результаты исследований 166
4 Исследование процессов, происходящих в рабочих камерах сушильных установок 169
4.1. Основные положения математической модели гидродинамики и тепло- и массообмена диспергированных частиц в прямоточных распылительных сушилках 169
4.2. Экспериментальные исследования аэродинамики и распределения плотности орошения диспергированной жидкости в сушильных камерах 174
4.2.1 Экспериментальные исследования аэродинамики в сушильных камерах 175
4.2.2 Экспериментальные исследования распределения диспергированной жидкости в сушильных камерах 185
4.2.3 Анализ и обобщение результатов исследований 195
4.3. Экспериментальные исследования тепло- и массообмена в сушильной камере 204
4.3.1 Распределение влажности продукта по радиусу и высоте сушильной камеры 205
4.3.2 Влияние технологических параметров на закономерности распределения влажности продуктов в сушильной камере 209
Изучение температурных полей в сушильной камере 217
4.3.4 Обсуждение результатов исследований 221
4.4. Математическая модель гидродинамики и тепло- и массообмена диспергированных частиц в прямоточных сушилках с верхней подачей сушильного агента в основание факела распыла 225
5 Экспериментальные исследования сушки химических веществ 239
5.1. Карбонат кальция 239
5.2 Дикальцийфосфат дигидрат 241
5.3. Гидроксид циркония 244
5.4. Феракрил 246
5.5. Альбумин 247
5.6. Яичный порошок. 249
5.7. Сухие молочные продукты 252
6 Принципиальные аспекты проектирования промышленных установок для обезвоживания продуктов 256
6.1 Принципиальные аспекты проектирования вакуум-выпарных установок. 256
6.1.1 Технологические параметры работы выпарных установок 256
6.1.2 Варианты конструктивного исполнения выпарных аппаратов 261
6.1.3 Аппаратурно-технологические схемы вакуум-выпарных установок 269
Принципиальные аспекты проектирования сушильных установок 276
6.2.1 Технологические параметры сушильных установок 276
6.2.2 Способы и средства для нагрева сушильного агента 280
6.2.3 Распыливающие устройства 282
6.2.4 Устройства для очистки отработавшего сушильного агента 283
6.2.5 Варианты рационального конструктивного исполнения рабочих камер сушильных установок 287
Внедрение результатов диссертационной работы на промышленных предприятиях 295
Основные результаты работы и выводы 304
Список использованных источников 307
Приложения 349
- Гидродинамика и теплопередача в выпарных аппаратах
- Математические модели двухфазных потоков в теплообменных трубах плёночных выпарных аппаратов
- Влияние технологических параметров на закономерности распределения влажности продуктов в сушильной камере
- Варианты рационального конструктивного исполнения рабочих камер сушильных установок
Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Расширение производств, повышение качества продуктов, увеличение производительности, а так же экологические, экономические и энергосберегающие вопросы, возникающие при этом, относятся к числу важнейших проблем, решаемых в настоящее время в химических отраслях промышленности и, в частности, на технологических линиях по получению сухих порошкообразных продуктов
Сушка распылением получила широкое распространение в химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности По сравнению с другими методами сушка распылением обладает рядом преимуществ Время пребывания материала в зоне сушки весьма мало, а процесс его диспергирования обеспечивает высокую скорость процесса Сухие продукты, полученные распылительным способом, имеют высокое качество В настоящее время для сушки продуктов весьма перспективными считаются прямоточные распылительные сушилки с верхней подачей сушильного агента в основание факела распыла Однако, обладая рядом достоинств, данные сушилки имеют значительные габариты, что обуславливает большую металлоемкость, большие занимаемые производственные площади и высокую стоимость Расширение работ в области сушки продуктов обуславливает необходимость совершенствования сушильных установок и, прежде всего, изыскание путей снижения габаритов, металлоемкости и энергопотребления, а также необходимость создания новых установок
Некоторые технологии получения порошкообразных веществ предусматривают предварительное обезвоживание в выпарных установках Использование процесса выпаривания перед сушкой целесообразно из экономических соображений, а также в некоторых случаях позволяет получать порошкообразные продукты более высокого качества В настоящее время в промышленности появилась потребность в расширении номенклатуры выпускаемой продукции и в расширении типоразмерного ряда установок по производительности
В целом ряде технологий получения порошкообразных продуктов отсутствует процесс выпаривания Это, как правило, характерно для термолабильных и пенообразующих продуктов В связи с этим, создание выпарных установок, позволяющих концентрировать подобные продукты, существенно повышает эффективность новых технологий получени порошкообразных веществ
Проведенный анализ показал, что нерешенными остаются некоторы принципиальные вопросы по предварительному обезвоживанию пере сушкой ряда веществ на установках различного типа, в части аппаратурног оформления процессов выпаривания, а также ряд вопросов по сушке, именно по аэродинамике сушильного агента и условиям взаимодейств капель и частиц с потоком сушильного агента, по закономерноетя
4 изменения влажности материала и температурных полей в сушильных камерах прямоточных сушилок, и по конструированию основного технологического оборудования сушильных установок, решение которых позволит сделать очередной шаг на пути совершенствования аппаратуры и технологии получения порошкообразных веществ
Таким образом, повышение эффективности процессов обезвоживания
."' при получении порошкообразных веществ различного происхождения,
разработка рекомендаций по совершенствованию технологического
оборудования вакуум-выпарных и сушильных установок и внедрение в
промышленность новых технологических линий является актуальной задачей
Работа выполнялась в соответствии с Постановлением ГКНТ при Совете Министров СССР № 450 от 25 09 1975, утвердившем координационный план по решению научно-технических проблем 0 38 01 , Постановлением Совета Министров СССР № 1333-382 от 26 12 1985 и Постановлением Совета Министров СССР № 718-214 от 13 06 1986
Цель и задачи исследований. Целью работы является теоретическое, экспериментальное и практическое обоснование новых технологических и , технических решений в производствах для получения порошкообразных веществ
В целом обобщение сведений, приведенных автором, их систематизация и критический анализ позволили, учитывая цель исследований, сформулировать следующие основные задачи
- экспериментально изучить процессы выпаривания в выпарных
аппаратах различного типа и масштаба ряда специфических растворов
химических и пищевых производств Изыскать технологические и
технические решения, обеспечивающие проведение эффективного процесса
выпаривания, в том числе, до высоких концентраций (64-75%)
Экспериментально исследовать интенсивность теплопередачи в выпарных
аппаратах, а также исследовать интенсивность теплопередачи по длине
''"' теплообменной трубки выпарного аппарата с падающей пленкой,
разработать новую конструкцию выпарного аппарата,
обеспечивающего концентрирование продуктов, обладающих
пенообразующими и термолабильными свойствами,
экспериментально изучить интенсивность теплопередачи и гидродинамику в теплообменник трубах аппаратов данного типа,
- разработать математическую модель гидродинамики в теплообменных
трубах пленочных выпарных аппаратов новой конструкции,
- экспериментально изучить процессы, происходящие в сушильных
камерах установок для получения сухих продуктов исследовать
распределение продукта и аэродинамику сушильного агента в объеме
сушильной камеры, провести анализ условий взаимодействия сушильного
агента и диспергированных капель и частиц, исследовать тепло и массообмен
(распределение влажности материала и температурных полей),
разработать усовершенствованную математическую модель
гидродинамики и тепло- и массообмена диспергированных частиц в потоке
сушильного агента в сушильной камере прямоточной установки с верхней
подачей сушильного агента в основание факела распыла, і'
экспериментально исследовать процесс сушки ряда веществ распылительным способом, определить технологические параметры, обеспечивающие получение порошкообразных веществ с заданными свойствами,
экспериментально исследовать процесс очистки отработанного сушильного агента в циклонах различных типов, конструктивных исполнений и скруббере Вентури, а так же исследовать принципиальную возможность использования воздуходувки для компримирования вакуумного пара,
получить новые данные об изменении свойств химических веществ в процессе выпаривания, а также полученных распылительным способом,
на базе теоретического анализа, аналитических и экспериментальных исследований определить перспективные направления, разработать рекомендации и провести практическую промышленную апробацию технических решений, направленных на повышение эффективности основного технологического оборудования линий для получения порошкообразных химических веществ
Научная новизна. Разработаны варианты конструктивного исполнения нового выпарного аппарата пленочного типа, обеспечивающего концентрирование продуктов, обладающих пенообразующими и термолабильными свойствами, в том числе до высоких концентраций
Впервые получены данные о закономерностях теплопередачи и гидродинамики при концентрировании ряда продуктов в аппаратах данного типа
Разработана математическая модель гидродинамики в теплообменных трубах выпарных аппаратов новой конструкции
Получены новые экспериментальные данные о закономерностях процесса выпаривания молочной сыворотки в вакуум-выпарных аппаратах пленочного и циркуляционного типа зависимости изменения локальных значений коэффициентов теплопередачи по длине теплообменных труб и закономерности изменения среднего коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате пленочного типа от содержания массовой доли сухих веществ в исходном продукте, закономерности изменения коэффициента теплопередачи в выпарном аппарате циркуляционного типа от содержания массовой доли сухих веществ сгущаемого продукта при различных технологических параметрах Впервые экспериментально определены технологические режимы, обеспечивающие сгущение молочной сыворотки до содержания массовой доли сухих веществ 70-75%
Впервые экспериментально изучен процесс концентрирования кофейного экстракта в выпарных аппаратах пленочного типа Получены новые данные об интенсивности теплопередачи в аппаратах при различных технологических параметрах работы
Впервые экспериментально исследован процесс концентрирования жидкой фазы послеспиртовой барды в выпарных аппаратах циркуляционного типа Получены новые данные о закономерностях изменения коэффициента теплопередачи от содержания массовой доли сухих веществ в сгущаемом продукте и полезной разности температур в выпарном аппарате с естественной циркуляцией, а также закономерности изменения коэффициента теплопередачи от содержания массовой доли сухих веществ в сгущаемом продукте в выпарном аппарате с принудительной циркуляцией
На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований предложена усовершенствованная математическая модель гидродинамики и тепло- и массообмена диспергированных частиц в потоке сушильного агента в прямоточных распылительных сушилках с верхней подачей сушильного агента в основание факела распыла
Получены новые экспериментальные данные о закономерностях процесса сушки в прямоточных сушилках с центробежным распылением продукта и верхней подачей сушильного агента в основание факела распыла Определены закономерности распределения массовой доли влаги (влажности) продукта и температурных полей в сушильной камере Получены уравнения для определения локальных значений влажности продукта в камере. Установлена степень влияния технологических параметров на эффективность сушки Все это позволило более точно раскрыть механизм процесса и показать особенности работы аппаратов данного типа
Получены зависимости, описывающие закономерности изменения безразмерной скорости сушильного агента в сушильной камере Показано, что эти закономерности справедливы как для малогабаритных сушильных установок производительностью 10 кг/ч испаренной влаги, так и промышленных до 2000 кг/ч испаренной влаги
Определены физическая картина распределения потоков сушильного агента и характер взаимодействия с ним частиц в сушильной камере
Впервые экспериментально доказана принципиальная возможность использования воздуходувки ТВ 42-14 для компримирования вакуумного пара Получены новые закономерности, характеризующие изменения степени сжатия, напора и энергозатрат от производительности воздуходувки при работе на паре и воздухе при давлении в контуре 0,048 МПа и 0,032 МПа
Получены данные о физико-химических свойствах жидких и сухих химических веществ Установлены закономерности изменения ряда свойств жидких продуктов в процессе выпаривания Установлено влияние технологических параметров сушки и типов сушилок на свойства сухих порошкообразных веществ
Практическая значимость. На базе комплекса аналитических и экспериментальных исследований намечены пути совершенствования технологии и техники обезвоживания продуктов и сформулированы основные принципы и рекомендации рационального конструктивного исполнения технологического оборудования выпарных и сушильных установок.
7 Реализация этих принципов позволила разработать оригинальные способы обезвоживания, конструкции выпарных аппаратов, вакуум-выпарных и сушильных установок Техническая новизна, полезность и существенные отличия этих решений защищены 15 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ
На основании анализа полученных экспериментальным путем зависимостей эффективности очистки отработанного сушильного агента от технологических параметров работы циклонов различных типов и
конструктивных исполнений (СК-ЦН-Д, ВЦНИИ-ОТ(МИОТ), ЦН-15, НВГК и Ц-СВ) сформулированы практические рекомендации по выбору циклонов для различных веществ Экспериментально определена степень очистки отработанного сушильного агента в скруббере Вентури
Проведены анализ условий теплообмена в конденсатных и паровых секциях парового калорифера, сравнительная оценка интенсивности теплопередачи в калориферах с различными конструктивными исполнениями теплообменных труб Предложены рекомендации для повышения эффективности паровых калориферов и теплообменного оборудования, в которых использованы оребренные теплообменные трубки Рекомендации использованы при проектировании сушильных установок
Экспериментальным путем получены новые данные о технологических параметрах сушки ряда химических веществ (карбонат кальция, дикальцийфосфат дигидрат, гидроокись циркония, феракрил, альбумин, яичный меланж) в прямоточной распылительной сушилке с верхней подачей сушильного агента в основание факела распыла, обеспечивающие получение порошкообразных веществ с заданными свойствами
Результаты проведенных исследований положены в основу разработанных компьютеризированных методик расчета вакуум-выпарных установок, выпарных аппаратов и сушильных установок
Выводы и рекомендации работы использованы при разработке конструкторской документации шести' выпарных установок, десяти сушильных установок
Внедрено в промышленность одиннадцать вакуум-выпарных установок, пять распылительных сушильных установок
В стадии внедрения находятся две вакуум-выпарные установки, три распылительные сушильные установки и два технологических комплекса, в состав которых входят шесть сушильных установок различного типа
Результаты исследований автора использованы в лекционных курсах для подготовки инженеров по специальности «МАХП» и «МАПП» на химико-технологическом факультете УГТУ-УПИ
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований процесса сгущения в выпарных аппаратах различного типа и масштаба ряда специфических растворов химических и пищевых производств,
новая конструкция пленочного выпарного аппарата для сгущения
пенообразующих и термолабильных продуктов, результ экспериментальных исследований данного типа аппарата,
результаты экспериментальных исследований аэродинам сушильного агента в объеме сушильной камеры прямоточ распылительной сушилки с верхней подачей сушильного агента в основ -факела распыла,
результаты экспериментальных исследований кинетичес закономерностей процесса сушки казеината натрия в прямоточ распылительной сушилке,
математическая модель гидродинамики в теплообменных тру выпарных аппаратов пленочного типа новой конструкции,
усовершенствованная математическая модель динамики и су диспергированных частиц в прямоточных сушилках с верхней пода сушильного в основание факела распыла,
результаты исследований процесса сушки ряда химичес веществ,
новые данные о свойствах жидких и порошкообразных веществ
Апробация работы. Основные результаты работы опубликовань
трудах, доложены и обсуждены на XXIII Международном молоч
конгрессе (Канада, 1990), Международной конференции по сушке 25
Международного форума по тепло - и массообмену (Киев, 19
Международной конференции «Энергосберегающие технологии перерабо
сельскохозяйственного сырья» (Минск, 1996), Международном науч
практическом семинаре «Новые технологии, оборудование, сырье
материалы в молочно-консервном производстве» (Москва, 2001),
Международной конференции «Молоко-2002 Технологии, оборудова
методы контроля» (Екатеринбург, 2002), VII и VIII научно-техничес
конференциях Уральского Политехнического института им СМ Кир
(Свердловск, 1984, 1987), II Всесоюзной научно-технической конферен
«Повышение эффективности тепло - массообменных и гидродинамичес
процессов в текстильной промышленности и производстве химичес
волокон» (Москва, 1985), III Всесоюзной научно-технической конферен
«Создание и внедрение современных аппаратов с активнь
гидродинамическими режимами для текстильной промышленности
производства химических волокон» (Москва, 1989), Научно-практичес
конференции «Использование молочной сыворотки для произволе
пищевых продуктов» (Углич, 1992), Всероссийской конференции
международным участием) «Экономическая реформа в России- пробле
дискуссии, пути развития» (Екатеринбург, 1996), Межрегиональ
конференции «Опыт и проблемы повышения качества молочной продукц
ее конкурентоспособности в рыночных условиях» (Курган, 19
Всероссийской научно-технической конференции «Пище
промышленность, продовольственная безопасность - XXI в (Екатеринбург, 1999), Региональной конференции «Новые техноло
переработки молока, производство сыра и масла (Старый Оскол, 2003), Научно-технической конференции «Развитие идей академика Липатова Н Н на рубеже столетий «Научные и практические аспекты переработки молока» (Москва, 2003)
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 72 работах Получено 16 авторских свидетельств и патентов РФ
Вклад автора в разработку проблемы. Автору принадлежит формулировка и обоснование цели работы, выбор объектов исследования Им выполнены теоретические и экспериментальные исследования, обработка и анализ результатов Ряд исследований проводились совместно с ЛИ Трофимовым, В Г Бурцевым, ЕГ Хайнацким, В Е Бартеневым и НМ
Борисоником, ценная консультативная помощь была оказана [В И Леверашом и В Д Харитоновым
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов и 9 приложений Работа изложена на 624 страницах, включает 346 страниц основного текста, в том числе 120 рисунков и 14 таблиц
Представленные в диссертации и публикациях результаты исследований получены лично автором, под его руководством или в соавторстве
Гидродинамика и теплопередача в выпарных аппаратах
Циркуляция раствора по циркуляционному контуру этих аппаратов происходит за счет разности плотностей раствора в сепараторе выпарного аппарата и опускной трубе и парорастворной смеси в зоне кипения. Разность весов столба раствора в опускной ветви контура и столба парожидкостной смеси в подъемной ветви создает движущий напор Рдв, который расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений в циркуляционном контуре. Отсюда основное уравнение циркуляции [62].
Рдв = 1АР0П + 1АРП0Д (1.1)
Определение сопротивления участков контура, по которым движется некипящая жидкость, не представляет особых трудностей. Для этого необходимо по гидравлическим справочникам найти коэффициенты местных сопротивлений и сопротивлений трения [63, 64].
Значительно труднее рассчитать движущий напор циркуляции и сопротивление участков, по которым движется кипящая жидкость, т. е. парожидкостная смесь с переменным паросодержанием. В литературе имеется изложение нескольких методик расчета циркуляции в выпарных аппаратах с кипением в греющих трубках [65, 66]. Однако точность их невелика. Следует отметить, что для аппаратов с кипением в греющих трубках знание скорости циркуляции необходимо, главным образом, для определения участков подогрева (экономайзерный участок) и кипения, и для расчета теплопередачи в зоне подогрева. Но при остальных условиях зона подогрева невелика, а в зоне кипения теплопередача слабо зависит от скорости циркуляции.
В работе [64] предлагается методика расчета скорости и коэффициента теплопередачи в выпарных аппаратах с кипением в греющих трубках. Расчет коэффициента теплопередачи осуществляется отдельно для зоны конвективного нагрева и зоны кипения.
Недостатком данной конструкции выпарных аппаратов является низкий коэффициент теплопередачи (0,7 -г 1,4 кВт/(м -К), малая скорость циркуляции и частые остановки вследствие зарастания теплопередающей поверхности [65]. Следует отметить, что и на этих выпарных аппаратах при оптимальных условиях (когда раствор кипит почти по всей длине греющих трубок) коэффициент теплопередачи может быть больше указанных выше значений (до 2,5-3 кВт/(м2-К), но зарастание теплопередающей поверхности при упаривании накипеобразующих растворов идет очень быстро. Однако для упаривания растворов, не выделяющих интенсивно накипь, эти аппараты находят применение [61].
Одним из путей уменьшения накипеобразования и интенсификации работы выпарных аппаратов с естественной циркуляцией является вынос кипения раствора из греющих трубок в широкую трубу [68]. Благодаря выносу кипения из греющих трубок не только значительно снижается накипеобразование и инкрустация греющих трубок, но и значительно увеличивается скорость циркуляции раствора.
В выпарных аппаратах с вынесенной зоной кипения по греющим трубкам движется раствор, нагреваясь без изменения агрегатного состояния. В этом случае коэффициент теплоотдачи от стенок греющих трубок к раствору существенно зависит от скорости циркуляции и может быть определен по известному уравнению Крауссольда-Мак-Адамса:
Nu = 0,023 Re0 8 Pr04 (1.2)
Поэтому в этих аппаратах весьма важно определение скорости циркуляции.
Для расчета скорости естественной циркуляции в выпарных аппаратах с вынесенной зоной кипения предложен ряд методик [68-71].
В работе [72] предложена формула для расчета коэффициента теплоотдачи от стенок греющих трубок к раствору в выпарных аппаратах с естественной циркуляцией и вынесенной зоной кипения. Там же указывается, что измеренные коэффициенты теплопередачи несколько ниже, чем рассчитанные по формуле Мак-Адамса через скорость циркуляции. В работах [73, 90, 91] предлагается уточненная методика расчета циркуляции в выпарных аппаратах данного типа.
В работе М.Б. Вайсблата [92] предложены рекомендации по определению оптимальной длины греющих трубок в выпарных аппаратах с естественной циркуляцией раствора и вынесенной зоной кипения.
Необходимо отметить, что гидродинамика и теплопередача в аппаратах данного типа применительно к условиям концентрирования пищевых продуктов изучена не в полной мере. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора
Одним из способов уменьшения инкрустации поверхности теплообмена при упаривании кристаллизующихся растворов является создание высоких скоростей движения раствора в греющих трубках 1,8-3,0 м/с [74]. Такие скорости в аппаратах, работающих в схеме многокорпусной выпарной установки, то есть при сравнительно небольших полезных разностях температур, при естественной циркуляции достичь нельзя. Более того, при малых полезных разностях температур (менее 12С) [67] выпарные аппараты с естественной циркуляцией и вынесенной зоной кипения работают неустойчиво. Для получения устойчивой циркуляции и достаточно высоких скоростей циркуляции при сравнительно небольших полезных разностях температур применяется принудительная циркуляция, создаваемая насосом. При этом зона кипения выносится либо в сепаратор, либо в подъемную трубу.
Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией весьма эффективно работают в различных отраслях промышленности. У них высокие коэффициенты теплопередачи (до 30 кВт/(м2-К), дольше работают между промывками [60]. Применение насоса позволяет получить весьма большие скорости циркуляции, однако применение очень высоких скоростей неэкономично, т.к. при скорости более 2,5 м/с увеличение расхода электроэнергии на привод насоса не окупается незначительным уменьшением поверхности нагрева за счет увеличения коэффициента теплопередачи.
Мощность привода насоса, создающего циркуляцию, может быть рассчитана по формуле, предложенной авторами работы [74].
В работе [21] приведены методы расчетов выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией и вынесенной зоной кипения. Рекомендуемые конструкции выпарных аппаратов приведены в работе [61]. Вопросы гидродинамики и теплопередачи рассмотрены в работах [55, 56, 85, 90-100, 124, 128, 130, 134, 146, 147]. Проведенный анализ показал, что процесс сгущения пищевых продуктов в аппаратах данного типа изучен не в полной мере.
Математические модели двухфазных потоков в теплообменных трубах плёночных выпарных аппаратов
В настоящее время в промышленности существует потребность выпаривания ряда растворов, обладающих пенообразующими и термо лабильными свойствами. Автором работы предлагается для решения данной проблемы использовать новый тип выпарного аппарата -комбинированный выпарной аппарат пленочного типа.
Схема потоков, имеющих место в аппаратах данного типа, представлена на рис. 3.2. Особенностью аппаратов нового типа является то, что в одной части теплообменных трубок имеет место нисходящий прямоток (см. рис. 3.2, а), а в другой части трубок - восходящий прямоток (см. рис. 3.2, б).
Проведенные поисковые теоретические и экспериментальные исследования [433,434] показали принципиальную возможность использования аппаратов данного типа для концентрирования пенообразующих и термолабильных продуктов, их достоинства и недостатки, а также сложность процессов, в том числе гидродинамической обстановки, происходящих в теплообменных трубах аппарата.
Автором разработана математическая модель гидродинамики и теплопередачи комбинированного выпарного аппарата [433], которая может быть использована только для ориентировочных инженерных расчетов, так как не позволяет в полной мере описать особенности гидродинамики в теплообменных трубах. Отсутствие достоверных экспериментальных и теоретических данных по процессам гидродинамики и теплопередачи, а также методик расчета сдерживает промышленную реализацию аппаратов данного типа.
Ниже предлагаются теоретические основы гидродинамики двухфазных потоков, имеющих место в теплообменных трубах выпарных аппаратов, на основании которых разработаны математические модели гидродинамики потоков в теплообменных трубах выпарных аппаратов с падающей плёнкой и комбинированного выпарного аппарата плёночного типа.
Анализ закономерностей движения двухфазных систем основывается на использовании уравнений неразрывности потока, а также уравнений баланса количества движения и энергетического баланса, применяемых ко всему потоку в целом или к каждой из фаз [124, 435]. При кипении жидкости в теплообменных трубах все параметры парожидкостной смеси изменяются по длине канала, в котором он движется. В общем случае это изменение обусловлено следующими причинами: процессом фазового превращения (превращение жидкости в пар); изменением давления; изменением размеров и формы канала. В связи с тем, что все параметры являются функцией длины канала, указанные выше уравнения следует применять в дифференциальной форме. Получаем систему уравнений [124, 435], включающую уравнение неразрывности потока
Если уравнения (3.33) - (3.35) применяются к двухфазной системе в целом, то w и р - средние скорость и плотность системы в рассматриваемом сечении канала. Если же уравнения применяются к отдельной фазе, то все величины относятся к этой фазе.
Уравнение (3.34) показывает, что изменение давления по длине канала формируется изменением скорости движения, трением о стенку и подъемом жидкости или газа, требующим преодоления сил земного тяготения. Изменение скорости движения в соответствии с уравнением (3.33) обуславливается изменением плотности потока, и площади поперечного сечения канала. Плотность же двухфазной системы является функцией давления и объемной концентрации дисперсной фазы ф. Величина ф изменяется из-за фазовых превращений, происходящих при подводе (или отводе) энергии к системе. В зависимости от относительного содержания паровой фазы используются модели гомогенного или раздельного течения. Модель гомогенного течения основана на том, что двухфазная система рассматривается как псевдооднородная жидкость, к которой применимы обычные законы гидродинамики. В общем случае, вследствие различия скоростей, температур и других параметров состояния системы, между фазами происходит взаимный обмен количеством движения, энергией и массой. Если эти процессы протекают достаточно быстро, как чаще всего бывает при небольших размерах дисперсных паровых включений, то принимают, что между фазами устанавливается термодинамическое равновесие. В гомогенной модели принимается, что жидкая и паровые фазы перемещаются с одинаковой скоростью, равной средней скорости смеси. В модели раздельного течения принимается, что фазы движутся раздельно, а взаимодействие между ними происходит на границе раздела. Ряд авторов [124, 435] предлагают использовать упрощенную модель раздельного течения, уравнения (3.33) -(3.35) применяются к системе в целом, как и в модели гомогенного течения, но учитывается различие скоростей движения фаз. Для использования этих уравнений нужно входящие в них величины выразить через соответствующие величины для образующих систему фаз.
Анализ приведенных выше моделей показывает, что их использование целесообразно для выпарных аппаратов циркуляционного типа.
Рассмотрим модель раздельного течения, в которой уравнения неразрывности потока, балансов количества движения и энергии записываются для каждой фазы. В данном случае эти пять уравнений решаются совместно с уравнениями, описывающими закономерности взаимодействия фаз на границе между ними и со стенками канала.
Влияние технологических параметров на закономерности распределения влажности продуктов в сушильной камере
Одним из методов интенсификации процесса тепло- и массообмена является повышение начальной температуры сушильного агента. Чем выше температура сушильного агента, тем выше термический КПД сушилки, меньше необходимый расход сушильного агента, меньше габариты сушилки [139]. В ходе проведения экспериментов удалось получить данные, характеризующие распределение влажности продукта при различных начальных температурах входящего сушильного агента.
На рис. 4.28 показано распределение массовой доли влаги продукта по радиусу сушилки при различном удалении от потолка сушилки. Кривые 1 и 2 характеризуют распределение массовой доли влаги продукта по радиусу на уровне, расположенном ниже потолка на 1,68 м. Опыты проведены при следующем технологическом режиме: й0 = 18%, tK = 93С, tnp = 80С. Кривая 1 получена при начальной температуре входящего сушильного агента 155С, кривая 2 - 165С. Во время проведения опытов сушильная установка была оснащена распылителем РЦ-2500 с частотой вращения распылительного диска 250 с"1. Анализ кривых позволяет установить, что характер распределения массовой доли влаги продукта по радиусу в обоих случаях идентичен характеру распределения, который является традиционным (см. рис. 4.28 и 4.30) для опытов, проведенных на рассматриваемом уровне. А именно - высокое значение массовой доли влаги продукта в центральной части сушилки, по мере удаления от центра резкое уменьшение содержания влаги в продукте и наличие сухого порошка на периферии сушилки. Видно, что увеличение температуры входящего воздуха даже на 10С существенно повышает эффективность сушки при радиусах менее 2,5 м и не влияет практически на эффективность сушки на периферии сушилки. Так, например, при радиусе менее 2 м разница в значении массовой доли влаги продукта в соответствующих точках составляет 10 - 15%.
Кривые 3 и 4 получены в результате опытов, проведенных на расстоянии 3,52 м от плоскости потолка. Опыты проведены при следующем технологическом режиме: а0= 24 %, tK= 95 С , ґпр= 54 С. Во время проведения опытов сушилка работала с распылителем РЦ-2500 при частоте вращения распылительного диска 250 с" . Кривая 3 характеризует изменение массовой доли влаги продукта по радиусу при начальной температуре входящего сушильного агента 162С, кривая 4 - 180С. Из расположения кривых на графике видно, что кривая 3 располагается выше кривой 4. Таким образом, увеличение температуры входящего сушильного агента повышает эффективность процесса сушки. Повышение имеет место по всему сечению сушилки. Значения содержания влаги в продукте при начальной температуре входящего сушильного агента 180С меньше, чем значения влаги в продукте при начальной температуре сушильного агента, равной 162С, в соответствующих точках на 3 - 8%.
Другая серия опытов проведена на расстоянии 5,36 м от плоскости потолка при следующем технологическом режиме: а0 - 20 %, tK = 96 С , tnp -74С. Один опыт проведен при начальной температуре сушильного агента 179С, другой - при 172С. Во время проведения исследований сушильная установка работала с распылителем ЦРМ-4/40-8000Щ. Разница в значениях массовой доли влаги, находящейся в продукте, в соответствующих точках, равноудаленных от центральной оси, в этих опытах составляла около 0,5 -1,0%. Поэтому результаты опытов хорошо обобщаются кривой 5, которая показала закономерность распределения доли влаги продукта по радиусу. Видно, что на данном уровне содержание влаги в продукте практически постоянное и начальная температура сушильного агента не оказывает влияния на характер распределения содержания влаги продукта по радиусу и на эффективность процесса сушки.
Влияние температуры входящего сушильного агента на распределение массовой доли влаги продукта по высоте сушильной камеры представлено на рис. 4.31. Кривые 1 и 2 описывают характер распределения массовой доли влаги продукта по высоте сушилки на расстоянии 2,1 м от центральной оси.
Во время проведения опытов поддерживался следующий режим: а0 = 22,5%, tK= 95С, tnp= 80С. На сушилке эксплуатировался распылитель Рц-2500 с частотой вращения диска 300 с" . Результаты опытов, обобщенные кривой 1, получены при начальной температуре сушильного агента 158С, кривой 2 -170 С. Из графиков видно, что кривая 1 по характеру идентична кривой 2.
Кривая 1 располагается над кривой 2, что говорит о влиянии температуры входящего сушильного агента на эффективность тепло - и массообмена в распылительной сушилке на исследуемом радиусе. Кривая 1 описывает опыты, проведенные с более низкой начальной температурой сушильного агента, чем кривая 2. Следовательно, увеличение начальной температуры сушильного агента существенно влияет на эффективность тепло-и массообмена.Наиболее существенно это влияние проявляется на высоте от 0,5 до 2 м. В этом интервале высот разница значений массовой доли влаги продукта в соответствующих точках для рассматриваемых опытов достигает 20 - 25%. При высотах более 2 м эта разница незначительна и составляет 2 - 7 %. В верхней части сушильной камеры у потолка обнаружен в обоих опытах сухой порошок практически с одинаковой долей влаги. Кривые 3 и 4 описывают характер распределения содержания влаги продукта по высоте сушилки на расстоянии 2,9 м от центральной оси. Во время экспериментов поддерживался следующий технологический режим: а0 = 20%, tK = 95С, tnp = 70С. Сушильная установка была оснащена распылителем РЦ-2 500 с частотой вращения распылительного диска 250 с"1. Данные, обобщенные кривой 3, получены при подаче в сушилку горячего воздуха с температурой 165С, данные, обобщенные кривой 4, получены при подаче в сушилку воздуха с начальной температурой 175С. Из расположения кривых видно, что и на расстоянии 2,9 м от оси сушильной камеры повышение начальной температуры сушильного агента оказывает положительное воздействие на эффективность сушки. Наибольший эффект имеет место в интервале высот от 1 до 2,5 м. В этом интервале высот разница в значениях массовой доли влаги продукта примерно одинакова и составляет 8 - 10%).
О влиянии температуры подаваемого на распылитель продукта на распределение содержания влаги в продукте по радиусу и высоте сушильной камеры можно судить по кривым, которые показаны на рис. 4.32 и 4.33. Расположение кривых относительно друг друга показывает, что увеличение температуры продукта положительно влияет на эффективность сушки в районах, расположенных на расстояниях от потолка сушилки более 1 м и при радиусах менее 2 м.
На рис. 4.30 представлено распределение массовой доли влаги продукта в объеме сушильной камеры в виде линий постоянного содержания влаги при эксплуатации сушилки с распылителем РЦ-2500 с частотой вращения диска 250 с"1 и 200 с"1. Из рисунка видно, что увеличение частоты вращения распылительного диска существенно интенсифицирует процесс сушки: содержание влаги в продукте в соответствующих точках уменьшается, объем влажной зоны с массовой долей влаги в продукте более 25% уменьшается в два раза. Следовательно, использование более скоростного распылителя позволит реализовать процесс сушки в сушильных башнях меньшего диаметра и высоты, либо увеличить производительность действующих сушилок.
Варианты рационального конструктивного исполнения рабочих камер сушильных установок
Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований позволил разработать варианты рационального конструктивного исполнения рабочих камер сушильных установок. Часть этих вариантов уже рассмотрена в настоящей главе (см. рис. 6.11 - 6.13).
В данном разделе представлены другие варианты разработанных сушилок. Предлагаемые конструкции защищены шестью авторскими свидетельствами СССР [395, 397 - 400, 419]. Подробное описание конструкций сушилок, принцип их действия, а также рекомендации по проектированию, аналитический анализ условий аэродинамической обстановки и тепло - и массообмена в некоторых из них приведены в Приложении 3.
Как уже отмечалось ранее, распылительные прямоточные сушилки характеризуются высокой интенсивностью сушки в верхней части сушильной камеры в районе распылительного диска и более низкой интенсивностью в нижней части. Это приводит к большим габаритам сушилок. С целью интенсификации тепло- и массообмена в нижней части камеры и уменьшения за счет этого габаритов камеры разработана распылительная сушилка [399], конструктивное исполнение которой показано на рис. 6.14. Особенностью сушилки является наличие внутреннего 3 и наружного 4 перфорированных конусов, а также горизонтального перфорированного листа 6. Под конусы подается теплоноситель через короб 10. Перфорированные листы конусов скомпонованы так, что отверстия в конусах направлены в противоположные стороны, а в пространстве между конусами образуют интенсивные кругообразные завихрения. Такая турбулизация сушильного агента позволяет значительно интенсифицировать процесс сушки. Более того, теплоноситель, выходящий из отверстий, образует защитный слой, исключающий налипание продукта на конусы. Теплоноситель, выходящий из отверстий перфорированного плоского днища 5, не только интенсифицирует сушку и способствует досушке материала до конечной влажности, но и образует поток, транспортирующий частицы над днищем к выводу 9 для удаления из сушильной камеры.
Преимуществами распылительной сушилки [397], представленной на рис. 6.15 является создание активного аэродинамического режима и, как следствие, интенсификация процесса сушки. Активный аэродинамический режим создается за счет конструктивных особенностей сушильной камеры, которая выполнена в виде горизонтального кольцевого конфузора 2, кольцевой горловины 3, горизонтального кольцевого диффузора 4 и кольцевой сепарационной камеры. Реализация сушилки позволит уменьшить в 2 - 4 раза высоту сушильной камеры в сравнении с сушилкой, имеющей коническое днище. Если конфузорную часть камеры выполнить в виде тела вращения с криволинейной образующей [398] (см. рис. 6.16), можно значительно улучшить аэродинамические условия и интенсифицировать тепло- и массообмен на 25 -30%.
Распылительную сушилку [400], представленную на рис. 6.17, целесообразно применять при большой производительности (более 2000 кг/ч испаренной влаги).
Конструктивные особенности сушилки позволяют установить почти равноценные по производительности распылители и воздухораспределительные устройства не только в верхней части сушильной камеры, но и по периферии. Это приводит к равномерному заполнению всего объема сушильной камеры теплоносителем и продуктом, позволяет уменьшить габариты сушилки и увеличить влагонапряженность сушильной камеры в 2-3 раза.
Более того, в такой сушильной камере смешение потоков сушильного агента и частиц приводит, во-первых, к турбулизации потоков, что благоприятно сказывается на интенсивности сушки, а во-вторых, к укрупнению частиц, вследствие чего улучшается качество продукта и степень очистки отработанного сушильного агента.
Конструктивные особенности данной сушилки за исключением горизонтальных распылителей были приняты за основу при проектировании рабочей камеры сушильной установки для производства сухих молочных продуктов производительностью 2 000 кг испаренной влаги в час.
В результате проведения комплекса экспериментальных исследований [440] по изучению процесса сушки феракрила на прямоточной распылительной сушильной установке с верхней подачей сушильного агента в основание факела распыла установлено, что при классическом исполнении сушильной камеры в виде цилиндрического корпуса с коническим днищем происходит налипание на стенки сушильной камеры до 70% влажного феракрила. В ходе исследований найдено техническое решение по модернизации сушильной камеры, реализация которого позволила предотвратить налипание высушиваемого продукта на стенки сушильной камеры и обеспечила его сушку до конечной влажности. Модернизация сушильной камеры заключалась в размещении на периферии верхней части сушильной камеры воздухораспределительного устройства, выполненного в виде кольцевого канала с отверстиями, направленными вертикально вниз, и подаче в воздухораспределительное устройство холодного воздуха, который обеспечивал охлаждение стенки сушильной камеры и изменял траекторию движения высушиваемых частиц. Таким образом, в ходе проведённых исследований была доказана принципиальная возможность сушки феракрила распылительным способом и предложены технологические и технические решения для их реализации в фармацевтической промышленности.
