Развитие научных основ сушки дисперсных материалов, осложненной структурообразованием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор наук Пахомов Андрей Николаевич

• Пахомов Андрей Николаевич
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Пахомов Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Актуальные проблемы теории и техники сушки жидких

дисперсных продуктов

1.1. Характерные промышленные жидкие дисперсные материалы

1.2. Аппаратурное оформление процесса сушки жидких дисперсных материалов

1.3. Современные тенденции и методы исследований процессов сушки

жидких дисперсных материалов

Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальная база для исследования процесса сушки

жидких дисперсных материалов на подложках

2.1. Материалы, экспериментальные установки, приборы и методы

2.2. Свойства жидких дисперсных продуктов

Выводы по главе

Глава 3. Кинетические особенности сушки жидких дисперсных

материалов. Эффекты структурообразования

3.1. Кинетические кривые сушки дисперсных продуктов на подложках

3.2. Структурообразование в процессе сушки

3.2.1. Формирование и характер поверхностной структуры

3.2.2. Изменение формы и цвета поверхности

Выводы по главе

Глава 4. Классификация кинетических кривых. Прогнозирование

типа кинетической кривой

4.1. Примеры классификаций кинетических кривых и видов материалов

4.2. Классификация кинетических кривых, получаемых при сушке

жидких дисперсных материалов

4.3. Метод прогнозирования типа кинетической кривой

4.3.1 Основные положения

4.3.2. Выбор лимитирующих факторов

4.3.3.Критерий формирования поверхностной структуры

4.3.4. Методика прогнозирования для мягких режимов сушки

4.3.5. Методика прогнозирования для жестких режимов сушки

4.4. Результаты прогнозирования

Выводы по главе

Глава 5. Моделирование поверхностных структур, возникающих при

сушке жидких дисперсных материалов на подложках

5.1. Методы моделирования поверхностных структур. Фрактальный подход

5.2. Фрактальные размерности структур, наблюдаемых в процессе сушки

5.3. Фрактальная модель формирования поверхностной пленки в

процессе сушки

5.4.Результаты моделирования поверхностной структуры

Выводы по главе

Глава 6. Расчет кинетики сушки жидких дисперсных материалов на

подложках

6.1. Методология расчета кинетики сушки. Алгоритм и особенности

6.2. Основные расчетные зависимости

6.2.1. Зоны процесса. Эквивалентные условия

6.2.2. Расчет формы и размеров высушиваемого материала

6.2.3. Расчет критического влагосодержания в случае отсутствия и наличия поверхностного структурообразования

6.3. Примеры расчета кинетики сушки жидких дисперсных продуктов на

подложках

Выводы по главе

Глава 7. Инженерная методика расчета кинетики сушки на базе прогнозирования типа кинетической кривой и модифицированных температурно-влажностных зависимостей

7.1. Модифицированные температурно-влажностные зависимости

7.2. Алгоритм инженерной методики расчета кинетики сушки

7.2.1. Основные зависимости, используемые для расчета опорных

точек температурно-влажностных зависимостей

7.2.2. Результаты расчета

Выводы по главе

Глава 8. Перспективная аппаратура для сушки жидких дисперсных продуктов. Практическая реализация результатов исследования

8.1. Практические рекомендации по использованию результатов работы

8.2. Оценка величины адгезии высушиваемого продукта к поверхностям аппаратуры и инертных тел

8.3. Сушилки с кипящим слоем инертных тел с внутренним перемешивающим устройством

8.4. Комбинированная сушилка

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Экспериментальные данные по сушке жидких

дисперсных продуктов

Приложение 2. Программы для ЭВМ для расчетов кинетики сушки и

моделирования поверхностных структур

Приложение 3. Документы по практической реализации результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие научных основ сушки дисперсных материалов, осложненной структурообразованием»

Введение

Актуальность работы. В настоящее время в промышленности сушке подвергается широкая номенклатура жидких дисперсных материалов синтетического происхождения - это, например, красители, пластификаторы, продукты химического синтеза, фармацевтические препараты; и природного происхождения - в основном пищевые продукты и добавки. Промышленное использование классического подхода для получения сухого продукта (механическое обезвоживание, упаривание, сушка), как правило, связано с большим рядом эксплуатационных проблем, сложностью ведения технологического процесса, проблемами управления качеством готового продукта, сильным влиянием колебаний режимных параметров на качество получаемого сухого продукта. Поэтому исследование кинетики процесса сушки жидких дисперсных материалов - весьма актуальная задача, имеющая важное теоретическое и прикладное значение.

Одной из важнейших задач, возникающих при моделировании процесса сушки, является возможность адекватного прогнозирования типа кинетических кривых. Это особенно важно для новых продуктов, экспериментальное исследование которых или не проводилось или сопряжено с рядом трудностей (например, высокая цена продукта или его опасность). Разработка метода прогнозирования вида кривых также является весьма актуальной задачей.

Анализ наблюдаемых при сушке жидких дисперсных материалов явлений структурообразования приводит к необходимости разработки методологии расчета кинетики сушки жидких дисперсных продуктов, осложненной структурообразованием, что является весьма актуальной задачей для развития научных основ процесса сушки дисперсных материалов.

Степень разработанности темы. Поверхностные явления, наблюдающиеся в процессе сушки жидких дисперсных продуктов, как правило, оказывают лимитирующее влияние на кинетику процесса. Основные фундаментальные разработки в области исследований сушильных процессов в нашей стране и

ближайшем зарубежье принадлежат таким ученым как Лыков А.В., Сажин Б.С., Фролов В.Ф., Долинский А.А., Акулич П.В. , Коновалов В.И., Рудобашта С.П.. Однако вопросы, связанные с кинетикой сушки непосредственно жидких дисперсных продуктов на подложках, в этих работах освещены недостаточно полно. Традиционно, свойства поверхностных структур, возникающих в дисперсных системах в результате определенных взаимодействий при контактах между частицами, исследовали в основном в статических условиях. Для описания кинетики сушки продуктов склонных к структурообразованию необходимо исследование формирования поверхностных структур в динамических условиях. Известны работы проф. Урьева Н.В. и учеников его школы в области исследований физико-химической динамики дисперсных систем, характерных для различных природных явлений и разнообразных химико-технологических процессов. Однако сложность и многофакторность процесса сушки создает серьезные проблемы для моделирования поверхностных структур, формирующихся именно в процессе сушки жидких дисперсных продуктов, особенно для промышленных жидкостей в промышленных режимах сушки. Одним из перспективных подходов к решению этой задачи является применение фракталов. Основные работы по применению фрактальной геометрии непосредственно в сушильных исследованиях принадлежат зарубежным исследователям (Sakamon Devahastin, Peng Xu, Arun S. Mujumdar, Boming Yu). Они связаны в основном с определением фрактальных параметров поверхностей, формирующихся при сушке модельных жидкостей. При этом практически нет публикаций по разработке кинетических фрактальных моделей поверхностных и объемных структур, формирующихся в процессе сушки. Необходима разработка подобных моделей для описания характера взаимосвязи процесса формирования поверхностных явлений, формирующихся при сушке промышленных жидких дисперсных продуктов синтетического и природного происхождения, и кинетики сушки, что даст возможность выработки методов расчета кинетику сушки при изменяющихся типах кинетических кривых сушки.

Разработка классификации типов кинетических кривых и их особенностей, формирующихся при сушке жидких дисперсных продуктов, является одной из перспективных задач моделирования процесса сушки. В области классификации высушиваемых материалов и типов кинетических кривых для капиллярно-пористых тел известны работы Кришера О., Сажина Б.С., Муштаева В.И., Ульянова В.М., Хейфеца Л.И., Неймарка А.В., Долинского А.А., Малецкой К.Д. Однако, как показал анализ публикаций и наши исследования, такие классификации не всегда оправданы при сушке жидких дисперсных продуктов, склонных к структурообразованию. Соответственно необходима разработка классификации типов характерных кинетических кривых, формирующихся при сушке жидких дисперсных продуктов на подложках. Такая классификация позволит разработать модель прогноза типа кинетической кривой в зависимости от свойств материала и режима сушки.

Цель работы: расширение теоретических основ процесса сушки жидких дисперсных материалов на подложках, моделирование кинетики с учетом явлений поверхностного структурообразования и разработка методологии расчета.

Для достижения целей работы были поставлены следующие задачи:

1. Разработка экспериментальных установок с различными способами теплоподвода, проведение экспериментальных исследований кинетики сушки на подложках жидких дисперсных материалов в диапазоне режимных параметров, характерных для промышленных сушильных аппаратов.

2. Экспериментальное исследование поверхностного структурообразования, проявляющегося в процессе сушки жидких дисперсных продуктов. Разработка математических моделей построения поверхностных структур, позволяющих определять параметры и реологические свойства высыхающего материала.

3. Выявление факторов, лимитирующих кинетику сушки жидких дисперсных материалов при наличии и отсутствии явлений поверхностного структурообразования. Исследование влияния теплофизических и структурно-реологических свойств высушиваемого материала, теплофизических свойств подложки и условий сушки на формирующиеся кинетические кривые процесса.

4. Анализ и обобщение особенностей кинетических кривых сушки, разработка метода прогнозирования вида кривых.

5. Разработка методологии расчета кинетики сушки жидких дисперсных материалов на подложках, учитывающей поверхностное структурообразование.

Научная новизна.

Разработана методология расчета кинетики сушки жидких дисперсных материалов на подложках, включающая прогнозирование кинетической кривой сушки, моделирование поверхностных структур и высыхающего слоя, решение системы уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса с эквивалентными граничными условиями, учитывающими поверхностное структурообразование.

Разработана классификация кинетических кривых сушки дисперсных материалов по наличию и особенностям температурных площадок, включающая 6 типов и 7 подтипов, позволяющая формализовать выбор кинетической кривой.

Предложен критерий формирования поверхностной структуры, обобщающий в безразмерном виде теплофизические и структурно-реологические свойства высушиваемого продукта, теплофизические свойства подложки и условия сушки.

Экспериментально выявлены виды температурно-влажностных зависимостей, характеризующих кинетику сушки жидких дисперсных материалов на подложках.

Разработан метод прогнозирования типа кинетической кривой, учитывающий критерий формирования поверхностной структуры, численные оценки диапазонов и весовые коэффициенты факторов, лимитирующих процесс сушки.

Разработана кинетическая модель формирования поверхностной структуры на основе построения фрактальных кластеров, кинетических зависимостей для течений жидкой фазы в высыхающем продукте, определения вероятности слипания частиц в кластере; позволяющая определять параметры поверхностной структуры и реологические свойства высыхающего продукта в зависимости от изменяющихся во времени процессов поверхностного структурообразования.

Разработана фрактальная модель формирования высыхающего слоя, учитывающая диффузионно-контролируемую агрегацию частиц и позволяющая рассчитать величину критического влагосодержания.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований кинетики сушки на подложках жидких дисперсных материалов с различными проявлениями поверхностного структурообразования,

- классификация кинетических кривых сушки дисперсных материалов по наличию и особенностям температурных площадок,

- фрактальные модели поверхностной структуры, формирующейся в процессе сушки жидких дисперсных продуктов на подложках и высыхающего слоя, критерий формирования поверхностной структуры,

- метод прогнозирования типа кинетической кривой,

- методология расчета кинетики сушки жидких дисперсных материалов на подложках, осложненной структурообразованием.

Практическая значимость.

Созданы экспериментальные установки для исследования процесса сушки жидких дисперсных материалов на подложках и явлений структурообразования с различными способами теплоподвода и широким диапазоном режимных параметров.

Разработаны конструкции комбинированной сушилки для жидких дисперсных продуктов (Патент РФ № 190526), сушилки с кипящим слоем инертных тел с оригинальным способом подачи жидкости и внутренним перемешивающим устройством (Патент РФ № 192389).

Для оценки величины адгезии высушиваемого продукта к поверхностям аппаратуры и инертных тел разработан адгезиометр (Патент РФ № 190526).

Для реализации методологии расчета кинетики сушки дисперсных продуктов, склонных к структурообразованию, разработан программный комплекс, включающий программы моделирования и расчета профиля высыхающего жидкого продукта, температурных полей и температуры

поверхности испарения, моделирования поверхностных структур, возникающих при сушке жидких дисперсных продуктов на подложках и их визуализации, прогнозирования кинетической кривой и моделирования кинетики сушки жидких дисперсий на подложках (Свидетельство о рег. прогр. для ЭВМ № 2012618634, 2012618631, 2015618941, 2015615160, 2017614120, 2017614069, 2019616189, 2019616909).

Разработана инженерная методика расчета кинетики сушки на базе решения основного уравнения кинетики сушки и модели прогнозирования кинетической кривой с использованием модифицированных температурно-влажностных зависимостей.

Результаты работы рекомендованы и приняты к использованию на предприятиях химической и смежных отраслей промышленности при производстве дисперсных продуктов и проектировании сушильного оборудования: ПАО «Пигмент», ООО «ЗАВКОМ-ИНЖИНРИНГ», ООО «Энерготехпроект», АО «Талвис» (г. Тамбов), ООО «КурскПродукт» (г. Курск), в учебном процессе в ФГБОУ ВО «ТГТУ».

Методология и методы исследования основаны на методах физического и математического моделирования, статистического анализа и фундаментальных законах тепло-массопереноса.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач исследования; разработке экспериментальных установок и методов исследования; получении, анализе и обобщении экспериментальных и расчетных данных, выявлении характерных типов кинетических кривых и температурно-влажностных зависимостей; разработке классификации типов кинетических кривых и их особенностей, наблюдаемых при сушке жидких дисперсных продуктов на подложках; разработке фрактальных моделей поверхностных и объемных структур, формирующихся при сушке жидких дисперсных продуктов; разработке методологии прогнозирования типа кинетической кривой, наблюдаемой при сушке жидких дисперсных продуктов на подложках в режимах сушки, характерных для промышленных аппаратов; модернизации инженерной

методики расчета кинетики сушки на базе предложенных температурно-влажностных зависимостей; апробации и публикации результатов исследования в виде научных статей и патентов РФ.

Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности: в части формулы специальности - «... содержание которой базируется на физических и химических явлениях (перенос энергии и массы, химические превращения, катализ, физико-химические воздействия на перерабатываемые материалы и т.п.)»; «...ориентирована на совершенствование аппаратурного оформления технологических процессов с позиций энерго- и ресурсосбережения, использование особенностей нестационарных режимов с позиции экологической безопасности и надежности химических процессов и производств»; « ... научное решение проблем создания процессов и аппаратов, разработку технологических схем, формирующих предпосылки эффективного управления и автоматизации, особенно учитывая, что в ряде случаев химические производства являются пожаро- и взрывоопасными, вредными для организма человека, образующие большое количество отходов, которые необходимо и возможно использовать в качестве вторичного сырья»;

в части области исследований специальности - «Фундаментальные разработки в изучении явлений переноса энергии и массы в технологических аппаратах»; «Теория подобия и масштабирования химико-технологических процессов и аппаратов, машин и агрегатов»; «Способы, приемы и методология исследования ... тепловых процессов в технологических аппаратах и технологических схемах, исследования массообменных процессов и аппаратов»; «Приемы, способы и методология изучения нестационарных режимов протекания процессов в химической аппаратуре»; «Методы изучения и создания ресурсо- и энергосберегающих процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности, обеспечивающие минимизацию отходов, газовых выбросов и сточных вод».

Достоверность и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы подтверждается применением фундаментальных

математических и физических методов, проведением экспериментальных исследований с использованием стандартных методов и поверенных средств измерений, корреляцией полученных расчетных и экспериментальных данных.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: II Международной конференции «Процессы самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей: эксперименты, теории, приложения» (Астрахань, 2012 г.), Всероссийской конференции «Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды» (Чебоксары, 2012), V Международной научно-практической конференции «Тенденции и инновации современной науки» (Краснодар, 2012 г.), IX Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2013 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность» (Стерлитамак, 2013г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения В.Н. Николаева «Теоретические и прикладные аспекты химической науки, товарной экспертизы и образования» (Чебоксары, 2013 г.), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26» (Нижний Новгород, 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества» (Тамбов, 2013 г.), VI и VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2013 - 2014 г.), VII Международной научно-практическая конференции «Современные концепции научных исследований» (Москва, 2014 г.), 13th International Drying Symposium (IDS'2002, China, 2002), 14th International Drying Symposium (IDS'2004, Brazil, 2004), 5th International Conference on Eurasian scientific development (Vienna, 2015), 1-х международных научных Лыковских чтениях (Москва, 2015) и других

международных конференциях в Москве, Йошкар-Оле, Саратове, Воронеже, Краснодаре, Липецке.

Реализация результатов работы. Результаты работы рекомендованы и приняты к использованию на предприятиях химической и смежных отраслей промышленности при производстве дисперсных продуктов и проектировании сушильного оборудования: ПАО «Пигмент», ООО «ЗАВКОМ-ИНЖИНРИНГ», ООО «Энерготехпроект», АО «Талвис» (г. Тамбов), ООО «КурскПродукт» (г. Курск), в учебном процессе в ФГБОУ ВО «ТГТУ».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 40 научных работах, в том числе 19 статей в журналах, из рекомендуемого перечня ВАК РФ, 4 статьи в журналах, индексируемых в WoS и Scopus, 1 монография, 8 зарегистрированных программах для ЭВМ, 1 патенте на изобретение, 2 патентах на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы из 554 наименований. Работа изложена на 431 страницах, содержит 126 рисунков, 49 таблиц, 3 приложения.

Глава 1. Актуальные проблемы теории и техники сушки жидких дисперсных

продуктов

В настоящее время в промышленности сушке подвергается широкая номенклатура жидких дисперсных продуктов. Необходимость высушивания таких продуктов, непосредственно в жидком виде, связана с тем, что:

во-первых, в соответствии с требованиями к готовому продукту, свойствами жидкого продукта, особенностями технологии, продукт необходимо высушивать непосредственно в жидком виде (например, сушка лаков, красителей, молока и т.п.);

во-вторых, существует ряд продуктов, для которых применение классического подхода (механическое обезвоживание/упаривание - сушка) для получения сухого продукта, связано с большим рядом конструктивных и эксплуатационных проблем, сложностью ведения технологического процесса, проблемами управления качеством готового продукта, сильным влиянием колебаний режимных параметров на качество получаемого продукта [1, 8, 10, 14, 17, 109, 111, 118, 137-139, 142, 144, 147, 150, 157, 159, 402-405, 415-419, 421-425, 428, 436-438. 440, 443-446, 457-460, 463-468, 472, 476-477, 483-491, 500-502, 513517].

Такими характерными жидкими дисперсными продуктами являются, например: послеспиртовая барда, некоторые диспергаторы и пигменты, некоторые суспензии, применяемые для декоративных целей. Эти продукты можно классифицировать как моно- и полидисперсные суспензии от грубых до тонких и коллоидные системы.

Автором были проведены исследования кинетики сушки (в диапазонах промышленных режимов) разнообразных промышленных жидких дисперсных продуктов, как синтетического, так и природного происхождения, в частности: мясокостной жидкости, кукурузной жидкости, белкового концентрата, водных растворов желатина, крахмала, клеевых композиций, оптических отбеливателей, различных диспергаторов, лаков и пигментов, жидких пластификаторов бетона,

послеспиртовой барды и др. [324, 327, 330-333, 335-338, 340-345, 355, 358-365, 367, 369-372, 374-377, 391-392].

Основой исследований кинетики сушки, проводимых школой проф. В.И. Коновалова, является всестороннее экспериментальное исследование кинетики сушки выбранного продукта в диапазонах промышленных режимов сушки, анализ полученных данных и выделение параметров (факторов), оказывающих лимитирующее влияние на кинетику сушки [39-77, 332, 336, 378].

Классически считается, что лимитирующее влияние на кинетику сушки (и как следствие на вид кинетических кривых) оказывает режим сушки и начальное влагосодержание. Однако, в результате анализа полученных экспериментальных данных, для жидких дисперсных продуктов было выявлено, что характер кинетических кривых, формирующихся при сушке разных продуктов, сходных по концентрации, основным, принимаемым в расчет теплофизическим свойствам, на одинаковых режимах сушки может иметь различный вид. При этом характерной особенностью процесса сушки для всех исследованных продуктов являются наблюдаемые эффекты поверхностного и объемного структурообразования, т.е. можно утверждать, что продукты, формирующие определенный тип кинетической кривой, в той или иной мере в процессе сушки проявляют эффекты поверхностного и/или объемного структурообразования [36, 42, 58, 61, 62, 72, 76, 77, 107, 141, 143, 145-148, 151, 155-161, 165, 170, 202-204, 210, 221, 224-226, 232, 233]. Поэтому, для жидких дисперсных продуктов, высушиваемых на подложках, необходимо выделение комплексных факторов, оказывающих лимитирующее влияние на кинетику сушки.

Рассмотрим выделенные, наиболее характерные, исследованные промышленно высушиваемые жидкие дисперсные продукты, свойства и область применения которых охватывают широкий диапазон высушиваемых жидких дисперсных продуктов.

1.1. Характерные промышленные жидкие дисперсные материалы

Жидкая послеспиртовая барда.

В процессе производства этилового спирта вторичным продуктом является жидкая послеспиртовая барда. Крупнейшие производители в РФ: АО «Талвис» (Тамбовская обл.), АО «Татспиртпром» (респ. Татарстан), АО «Башспирт» (респ. Башкирия). Производство жидкой барды относится к крупнотоннажным производствам. Послеспиртовая жидкая барда - жидкость светло желтого цвета (для зерновой и кукурузной барды, вообще цвет исходной барды зависит от исходного сырья, процесса брожения и режима работы бражной колонны) с концентрацией твердой фазы не более 8-10% (масс.) [58, 324, 393, 342].

Жидкая барда обладает высокой питательной ценностью (в барде содержится высокое количество белка зерна). Жидкая барда на открытом воздухе при температуре 20 оС теряет свои товарные качества примерно за сутки. При этом она быстро подвергаются микробной порче за счет развития сапрофитной микрофлоры, ее физико-химический состав и, соответственно, физиологические свойства непредсказуемо изменяются. При доступе воздуха и без регулярного перемешивания более легкие фракции на поверхности могут повреждаться плесневыми грибами [324, 393]. Фракционный состав и свойства жидкой послеспиртовой барды представлены в гл. 2. Исходя из анализа полученных данных, жидкую послеспиртовую барду можно классифицировать как полидисперсную систему, включающую в себя частицы, размер которых характерен для грубых и тонких суспензий.

В соответствии с требованиями федерального закона от 21 июля 2005 года №102-ФЗ в Российской Федерации вывоз жидкой барды за территорию спиртовых заводов запрещен. Этот закон обязывает предприятия утилизировать жидкую барду. Основным способом утилизации на большинстве предприятий является получение сухой барды в виде порошка или гранул соответствующей ГОСТ Р 53098-2008 (ОБОЗ) [393, 411].

Наибольшее распространение в мире получила технология утилизации, включающая применение центрифуг, выпарных установок и сушилок [411]. В результате получается сухой сыпучий или гранулированный продукт стандарта ОБОЗ.

Основной стадией при такой схеме утилизации жидкой послеспиртовой барды, лимитирующей работу не только отделения утилизации, но и работу всего спиртового завода в целом, является стадия сушки. Характер поведения процесса сушки (кинетика процесса) определяет качество сухой барды, энергоэффективность стадии сушки и производительность спиртового завода по целевому продукту.

Основной проблемой использования такой технологии является быстрое образование отложений перерабатываемой барды на стенках технологических аппаратов (в основном загрязняются рабочие поверхности теплообменников, выпарных аппаратов и сушилок [324, 376, 411]), а также нарушения процесса сушки, связанные с кинетическими особенностями сушки барды, приводящие к получению сухого продукта низкого качества.

Очевидным путем решения этих проблем в применяемой схеме является поиск режимов обработки и сушки жидкой барды для уменьшения величины адгезии отложений к поверхности и/или уменьшение скорости роста подобных отложений [324]. Решение этой задачи является весьма важным, так как позволяет снизить себестоимость готового продукта [367-369, 377, 411]. Однако, в рамках классической схемы утилизации, мы имеем достаточно узкие диапазоны управления режимными параметрами сушки, что не позволяет решить поставленную задачу в полном объеме.

Одним из перспективных методов решения задачи утилизации жидкой послеспиртовой барды является сушка данного продукта непосредственно в жидком виде. Как отмечено ранее [324, 393], такой способ утилизации является весьма перспективным. Исследование механизма и кинетики сушки жидкой послеспиртовой барды также актуальны исходя из проблем развития промышленности в Тамбовском регионе и в Российской Федерации.

Итого:

Мощность производства: крупнотоннажное - до 400 тонн в сутки при мощности завода в 3000 дал спирта в сутки.

Применение: в сухом виде на корм скоту.

Основные проблемы: при высушивании жидкой барды по классической схеме (центрифугирование-упаривание-сушка) происходит быстрое загрязнение теплообменных поверхностей используемой аппаратуры. Останов на очистку приводит к снижению мощности или останову основного производства.

Пути решения: при сохранении требований к характеру и качеству сухого продукта - сушка послеспиртовой барды в жидком виде.

Мясокостная жидкость

Мясокостная жидкость является основным отходом в мясном производстве. Мясокостная жидкость представляет собой дисперсную систему характерного коричневого (иногда черного цвета) со специфическим запахом. Твердая фаза мясокостной жидкости представляет собой измельченные до определенного размера отходы от убоя скота, которые невозможно далее передать в производство съедобных для человека продуктов. Крупнейший производитель в РФ: группа компаний РУСАГРО (в Тамбовской области - ООО «Тамбовский бекон» до 27 т/сутки). Производство мясокостной жидкости можно отнести к крупнотоннажным производствам [324, 391].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Пахомов Андрей Николаевич, 2020 год

\ /

Г

1 г

х" >*- V

О 50 100 150 200 250 302 354 410 468

-л-Тр -Х-Тэ

-♦-д р -■-д э

Рисунок 6.3.1 - Результаты расчета кинетики сушки мясокостной жидкости

на мягком режиме сушки В таблице 6.3.2 представлены данные по расчету абсолютной и относительной погрешности расчета кинетики сушки.

Таблица 6.3.2 - Данные по расчету абсолютной и относительной погрешности расчета для мясокостной жидкости на мягком режиме сушки

т Абсолютная Относительная Абсолютная Относительная

погрешность АГ,°С погрешность Т, % погрешность погрешность А%

0 0,0191 0,075794 0,01391 0,967989

50 4,5249 12,92829 0,03759 3,086207

100 1,951 5,574286 0,01913 2,007345

150 0,6202 1,772 0,03195 4,449861

200 0,0668 0,190857 0,03044 6,504274

250 2,7786 7,273822 0,01876 7,504

302 8,6471 11,59129 0,01027 14,88406

354 3,6421 3,895294 0,00103 2,575

410 1,995 2,054583 0,0003 1,685393

468 0,5433 0,549343 0,0002 2,580645

532 0 0 0,00017 4,'722222

648 0 0 0 0

Как нами отмечалось ранее наибольшая погрешность расчета по температурной и влажностной кинетике (11 и 15%) наблюдается для точки перехода от I ко II периоду (т~300 с) и связана с определением критической влажности по пористости слоя, принятой усреднено равной 0.4.

Средняя относительная погрешность по температурной кинетике не превышает 4.1%, по влажностной кинетике не превышает 4.6%.

Расчет М2 - Мясокостная жидкость, жесткий режим сушки

Исходные данные

Режим сушки - конвективная, Рс = 160 °С, м> = 5 м/с, подложка - фторопласт 5=2мм. ^0=1.48 г. с=10%.

Расчет

Свойства продукта, фракционный состав - по гл. 2

Критерий Ф!=4.43 (для жестких режимов Ф|~4) Структурообразование практически отсутствует. Тип кинетической кривой - Тип 3-1 (по гл.4). \|/=0.

0.836 кг/кг абс.сух. П=0.47; 0.847 кг/кг абс.сух. (по п.6.2)

В таблице 6.3.3 и на рисунке 6.3.2 приведены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Таблица 6.3.3 - Результаты расчета кинетики сушки мясокостной жидкости

на жестком режиме сушки т - время, /р - расчетная температура, "С; 7\ - экспериментальная температура, "С; -расчетная убыль влаги, г; - экспериментальная убыль влаги, г; асух, осИСп, Рисп -коэффициенты тепло и массоотдачи (при нагреве и испарении), 5С - толщина высыхающего

слоя, мм (расчет).

т Тр Тэ др дэ а сух а исп (3 исп 8с

0 19,8278 19,8 1,39762 1,411 22,459 32,7806 0,02657 0,97995

50 42,3 45,6 1,07127 1,147 22,459 32,781 0,02657 0,77296

100 44 48 0,74178 0,72 22,4453 32,9055 0,02825 0,56414

150 48,4 48 0,41157 0,432 22,437 32,9828 0,02935 0,35524

200 56 54 0,123 0,131 22,4316 33,033 0,03008 0,14759

251 114,2 95,9 0,04528 0,053 22,3232 28,4158 0,14759

302 141 129,3 0,02588 0,0244 22,2931 25,847 0,14759

359 155,728 151,4 0,01455 0,0139 22,2824 24,3485 0,14759

402 158,164 156,9 0,0097 0,0094 22,2794 23,7063 0,14759

486 159,645 159,9 0,00485 0,0051 22,2774 23,0641 0,14759

548 159,897 160 0 0 22,277 22,85 0,14759

Рисунок 6.3.2 - Результаты расчета кинетики сушки мясокостной жидкости

на жестком режиме сушки В таблице 6.3.4 представлены данные по расчету абсолютной и относительной погрешности расчета кинетики сушки.

Таблица 6.3.4 - Данные по расчету абсолютной и относительной погрешности расчета для мясокостной жидкости на жестком режиме сушки

т Абсолютная погрешность АГ,°С Относительная погрешность Т, % Абсолютная погрешность Aft^ Относительная погрешность

0 0,0278 0,140404 0,01338 0,948264

50 3,3 7,236842 0,07573 6,602441

100 4 8,333333 0,02178 3,025

150 0,4 0,833333 0,02043 4,729167

200 2 3,703704 0,008 6,10687

251 9Д 9,489051 0,00772 14,56604

302 11,7 9,048724 0,00148 6,065574

359 4,328 2,858653 0,00065 4,676259

402 1,264 0,805609 0,0003 3,191489

486 0,255 0,159475 0,00025 4,901961

548 0,103 0,064375 0 0

Аналогично мягкому режиму сушки, для жесткого режима наибольшая погрешность расчета по температурной и влажностной кинетике (9 и 14%) наблюдается для точки перехода от I ко II периоду (т~250 с) и связана с определением критической влажности по пористости слоя, принятой усреднено равной 0.4.

Средняя относительная погрешность по температурной кинетике не превышает 3.8%, по влажностной кинетике не превышает 4.9%.

Расчет МЗ-КД-2, мягкий режим сгушки

Исходные данные

Режим сушки - конвективная, Тс = 80 °С, н-'= 5 м/с, подложка - фторопласт 5=2мм. g0=\21т. ¿=10%.

Расчет

Свойства продукта, фракционный состав - по гл. 2

Критерий Ф=2.63. Ф<4 следовательно поверхностное структурообразование отсутствует, следовательно \|/=0. Тип кинетической кривой - Тип 1-0 (по гл.4).

¿4РР=0.825 кг/кг абс.сух. П=0.47; (по п.6.2) 0,97 кг/кг абс.сух.

В таблице 6.3.5 и на рисунке 6.3.3 приведены результаты сравнения полученных расчетных и экспериментальных данных.

Таблица 6.3.5 - Результаты расчета кинетики сушки КД-2 на мягком

режиме сушки

т - время, Тр - расчетная температура, °С; /\ - экспериментальная температура, °С; -расчетная убыль влаги, г; - экспериментальная убыль влаги, г; асух, осИСп, Рисп -коэффициенты тепло и массоотдачи (при нагреве и испарении), 5С - толщина высыхающего слоя, мм (расчет).

т Тр Тэ ёР gэ а сух а исп а изл 3 исп § дисп

0 20,0188 20 1,1088 1,12 50,5301 51,2693 5,13913 0,03698 0,77744

30 25,5381 30 0,98126 0,96 50,53 51,2698 5,13955 0,03698 0,71645

60 28,7027 33 0,81274 0,853 50,5061 51,4012 5,26387 0,03845 0,6525

90 30,6121 34 0,7609 0,74 50,4926 51,4764 5,33645 0,03931 0,5873

120 31,7619 34 0,66494 0,64 50,4845 51,5216 5,3807 0,03984 0,52134

150 32,454 34 0,565 0,55 50,4797 51,5489 5,40751 0,04016 0,45494

180 32,8704 34 0,44909 0,44 50,4768 51,5653 5,42371 0,04036 0,3883

210 33,121 34 0,3594 0,33 50,475 51,5751 5,43348 0,04047 0,32156

240 33,2718 34 0,28373 0,25 50,474 51,581 5,43937 0,04055 0,25483

270 33,3626 36 0,17797 0,17 50,4733 51,5846 5,44292 0,04059 0,18823

302 62,5461 64 0,11678 0,12 50,3601 51,143 6,14495 0,18823

333 73,3231 72 0,06407 0,07 50,3177 50,8747 6,44481 0,18823

363 77,4291 76 0,03915 0,05 50,3016 50,7183 6,56522 0,18823

393 78,9737 78 0,02492 0,026 50,2954 50,6289 6,61276 0,18823

433 79,7044 79 0,01124 0,011 50,2922 50,5618 6,63691 0,18823

455 79,8571 79 0,01068 0,01 50,2915 50,5394 6,64253 0,18823

491 79,9586 79 0 0 50,2909 50,5171 6,64683 0,18823

Рисунок 6.3.3 - Результаты расчета кинетики сушки КД-2 на мягком

режиме сушки

В таблице 6.3.6 представлены данные по расчету абсолютной и относительной погрешности расчета кинетики сушки.

Таблица 6.3.6 - Данные по расчету абсолютной и относительной

погрешности расчета для КД-2 на мягком режиме сушки

т Абсолютная Относительная Абсолютная Относительная

погрешность АГ,°С погрешность Т, % погрешность Aft^ погрешность А%

0 0,018779 0,093895 0,0112 1

30 4,461899 14,873 0,02126 2,214583

60 4,297259 13,022 0,04026 4,719812

90 3,387947 9,964551 0,0209 2,824267

120 2,238054 6,582511 0,024942 3,897206

150 1,546018 4,547112 0,015 2,727273

180 1,129596 3,322341 0,009092 2,066346

210 0,879 2,585296 0,029402 8,909695

240 0,728175 2,14169 0,033734 13,49349

270 2,637383 7,326065 0,007969 4,68744

302 1,453915 2,271742 0,003219 2,682343

333 1,323102 1,837642 0,005931 8,473267

363 1,429082 1,880371 0,010847 21,6938

393 0,973684 1,248313 0,001084 4,170728

433 0,704385 0,891626 0,000237 2,159016

455 0,857091 1,084925 0,000678 6,781188

491 0,958592 1,213407 0 0

Наибольшая погрешность расчета по температурной кинетике наблюдается в начале площадки мокрого термометра (14%), по влажностной кинетике аналогично расчетам для мясокостной жидкости (13%) наблюдается для точки перехода от I ко II периоду (т~240 с).

Средняя относительная погрешность по температурной кинетике не превышает 4.8%, по влажностной кинетике не превышает 5.7%.

Расчет М4 - Послеспиртовая барда, мягкий режим сгушки

Исходные данные

Режим сушки - конвективная, Тс = 15 °С, н-'= 5 м/с, подложка - фторопласт 5=2мм. £о=0.67 г. ¿=8 %.

Расчет

Свойства продукта, фракционный состав - по гл. 2

Критерий Ф=5.55. Ф>4, следовательно, наблюдается поверхностное структурообразование. Тип кинетической кривой - Тип 1-2. (по гл.4).

Необходима оценка \|/ по модели поверхности. Фрактальная размерность поверхности ¿^п=1,67 (экспер.). Зависимость \|/(т), полученная по результатам моделирования поверхности (гл. 6), представлена в таблице 6.3.7.

Таблица 6.3.7 - Зависимость \|/(т) для послеспиртовой барды при конвективной сушке (Тс = 80 °С, ^=5 м/с)

т (1-у)

0 0,9856

30 0,9496

60 0,91359

90 0,87758

120 0,84156

150 0,80553

180 0,7695

210 0,73347

240 0,69743

По фрактальной модели остатка ¿#=1-73 (экспер.), П=0.58 (расч.) получено значение (п.6.2):

¿4РР= 0.86 кг/кг абс.сух. (расч.); ¿/крэ= 0,746 кг/кг абс.сух. (эксперим.)

В таблице 6.3.8 и на рисунке 6.3.4 приведены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Таблица 6.3.8 - Результаты расчета кинетики сушки жидкой послеспиртовой барды на мягком режиме сушки

т - время, /р - расчетная температура, "С; - экспериментальная температура, "С; -расчетная убыль влаги, г; - экспериментальная убыль влаги, г; асух, осИСп, Рисп -коэффициенты тепло и массоотдачи (при нагреве и испарении), 5С - толщина высыхающего

слоя, мм (расчет^ ; \|/ - коэффициент сокращения пове жности испарения

т Тр Тэ ёР gэ а сух а исп 3 исп 8с (1-у)

0 14,5273 14,5 0,594 0,6 59,6623 57,3771 0,05312 0,47077 0,98

30 29,3006 30,5 0,54155 0,545 59,6604 57,3875 0,05327 0,4292 0,94

60 36,028 36,8 0,471 0,453 59,6585 57,3978 0,05342 0,37329 0,91

90 39,2481 39,8 0,3931 0,35 59,6566 57,4082 0,05357 0,31155 0,87

120 40,9001 40,6 0,27604 0,271 59,6547 57,4186 0,05372 0,24752 0,84

150 41,9543 41,4 0,20355 0,187 59,6523 57,4316 0,05391 0,18325 0,80

180 42,6021 42 0,13509 0,134 59,6504 57,442 0,05406 0,11873 0,76

210 43,2118 43,4 0,08955 0,084 59,648 57,4549 0,05425 0,055 0,73

240 46,2024 46,2 0,03862 0,04 59,6343 57,53 0,05535 0,055 0,69

270 51,4131 50,5 0,02898 0,029 59,6343 57,5301 0,055

300 55,9136 55,2 0,02133 0,02 59,61 57,6647 0,055

330 59,8243 60 0,01464 0,015 59,5893 57,7806 0,055

360 63,2185 63,8 0,01166 0,01 59,5715 57,881 0,055

390 66,1613 66,4 0,00345 0,004 59,5563 57,968 0,055

420 68,7107 68,6 0,00105 0,001 59,5432 58,0433 0,055

450 70,9179 69,8 0,00037 0 59,5319 58,1084 0,055

480 72,8278 70,8 0,0Е+00 0 59,5222 58,1646 0,055

514 73 71Д 0,0Е+00 0 59,5139 58,2133 0,055

Рисунок 6.3.4 - Результаты расчета кинетики сушки жидкой послеспиртовой барды на мягком режиме сушки

В таблице 6.3.9 представлены данные по расчету абсолютной и относительной погрешности расчета кинетики сушки.

Таблица 6.3.9 - Данные по расчету абсолютной и относительной

погрешности расчета для послеспиртовой барды на мягком режиме сушки

т Абсолютная Относительная Абсолютная Относительная

погрешность АГ,°С погрешность Т, % погрешность Aft ^ погрешность

0 0,027339 0,188543 0,006 1

30 1,199376 3,932381 0,003454 0,633777

60 0,771952 2,097696 0,018001 З,1973795

90 0,551924 1,386743 0,043099 12,31392

120 0,300119 0,73921 0,005045 1,861581

150 0,554303 1,338895 0,016546 8,848161

180 0,602071 1,433503 0,001087 0,811429

210 0,18821 0,433664 0,005545 6,601738

240 0,002447 0,005297 0,001377 3,443718

270 0,913072 1,808064 2ДЕ-05 0,072463

300 0,713564 1,292689 0,00133 6,64803

330 0,175656 0,292759 0,00036 2,397388

360 0,581493 0,911431 0,001661 16,61454

390 0,238676 0,359452 0,000554 13,84938

420 0,110743 0,161433 4,83Е-05 4,82963

450 1,117926 1,601614 0,000367 0

480 2,027841 2,864182 0 0

514 1,9 2,672293 0 0

Наибольшая погрешность расчета по температурной кинетике наблюдается в начале процесса сушки (около 4%); наибольшая погрешность расчета по влажностной кинетике наблюдается практически при окончании процесса (16%) и связана с малыми величинами измеряемой и рассчитываемой убыли веса в данном периоде (абсолютная погрешность не более 0,002 г).

Средняя относительная погрешность по температурной кинетике не превышает 1.4%, по влажностной кинетике не превышает 5%.

Расчет М5-Пластификатор бетона, мягкий режим сгушки

Исходные данные

Режим сушки - конвективная, = 80 °С, н-'= 2 м/с, подложка - фторопласт 5=2мм.

Расчет

Свойства продукта, фракционный состав - по гл. 2

Критерий Ф=6.27. Ф>4, следовательно, наблюдается поверхностное структурообразование. Тип кинетической кривой - Тип 1-2. (по гл.4).

Необходима оценка \|/ по модели поверхности. Фрактальная размерность поверхности ¿^п=1,74 (экспер.). Зависимость \|/(т), полученная по результатам моделирования поверхности (гл. 6), представлена в таблице 6.3.10.

Таблица 6.3.10 - Зависимость \|/(т) для пластификатора при конвективной

сушке (Тс = 80 °С, и' = 2 м/с)

т (1-у)

0 0,9612

15 0,9657

30 0,8352

45 0,5697

60 0,5697

По фрактальной модели остатка ¿#=1-88 (экспер.), П=0.64 (расч.) получено значение (п.6.2):

[/крр= 1.016 кг/кг абс.сух. (расч.); ¿/Щ1)= 1.12 кг/кг абс.сух. (эксперим.)

В таблице 6.3.11 и на рисунке 6.3.4 приведены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Таблица 6.3.11 - Результаты расчета кинетики сушки жидкого пластификатора на мягком режиме сушки

т - время, /р - расчетная температура, "С; - экспериментальная температура, "С; -расчетная убыль влаги, г; - экспериментальная убыль влаги, г; асух, аисп, рисп -коэффициенты тепло и массоотдачи (при нагреве и испарении), 5С - толщина высыхающего слоя, мм (расчет); \|/ - коэффициент сокращения поверхности испарения __

т Тр Тэ КР КЭ а сух а исп а изл 3 исп 8с (1-¥)

0 23,60 23,6 0,0396 0,04 31 896 39,389 5,219 0,02654 0,0317 0,9612

15 38,2 37,6 0,0328 0,035 31 896 39,389 5,219 0,02654 0,0277 0,9657

30 45,89 48 0,0294 0,031 31 883 39,412 5,705 0,02678 0,0252 0,8352

45 49,49 53,5 0,0231 0,025 31 881 39,476 5,747 0,02744 0,0198 0,5697

60 56,80 56,8 0,0202 0,021 31 869 39,602 6,023 0,02889 0,0126 0,5697

75 64,43 60,9 0,0161 0,016 31 869 39,635 6,023 0,0126

90 69,57 65,6 0,014 0,014 31 842 39,741 6,223 0,0126

105 73,02 70 0,011 0,012 31 839 39,831 6,361 0,0126

120 75,34 74,1 0,0098 0,011 31 827 39,892 6,456 0,0126

135 76,88 77,1 0,0093 0,009 31 813 39,932 6,520 0,0126

150 77,91 78 0,0076 0,008 31 813 39,959 6,563 0,0126

165 78,6 78 0,0068 0,007 31 812 39,977 6,592 0,0126

180 79,07 79 0,0064 0,007 31 812 39,989 6,611 0,0126

195 79,37 79 0,0062 0,007 31 809 39,997 6,624 0,0126

210 79,58 80 0,006 0,006 31 809 40,003 6,633 0,0126

225 79,72 80 0,0058 0,006 31 809 40,006 6,639 0,0126

240 79,81 80 0,0056 0,005 31 809 40,009 6,642 0,0126

Рисунок 6.3.4 - Результаты расчета кинетики сушки жидкого пластификатора на мягком режиме сушки

В таблице 6.3.12 представлены данные по расчету абсолютной и относительной погрешности расчета кинетики сушки.

Таблица 6.3.12 - Данные по расчету абсолютной и относительной

погрешности расчета для пластификатора на мягком режиме сушки

т Абсолютная Относительная Абсолютная Относительная

погрешность АГ,°С погрешность Т, % погрешность погрешность

0 0,002178 0,009227 0,0004 1

15 0,6 1,595745 0,0022 6,285714

30 2,108007 4,391681 0,00249 7,80809

45 4,000175 7,476962 0,0019 7,6

60 0,001224 0,002155 0,00159 7,296925

75 3,534667 5,804051 0,000177 1,104783

90 3,975693 6,060508 0,00057 3,912148

105 3,028265 4,326092 0,001 8,333333

120 1,240204 1,673689 0,00052 5,03876

135 0,213886 0,277414 0,0003 3,333333

150 0,080834 0,103633 0,0002 2,564103

165 0,609373 0,781247 0,0006 8,108108

180 0,070529 0,089277 0,00072 10,11236

195 0,378683 0,479346 0,0006 8,823529

210 0,415371 0,519214 0,0004 6,25

225 0,277715 0,347143 0,0002 0

240 0,185692 0,232114 8Е-05 0

Наибольшая погрешность расчета по температурной кинетике наблюдается в начале процесса сушки (около 7.4%); наибольшая погрешность расчета по влажностной кинетике наблюдается практически при окончании процесса (10%) и связана с малыми величинами измеряемой и рассчитываемой убыли веса в данном периоде (абсолютная погрешность не более 0,0001 г).

Средняя относительная погрешность по температурной кинетике не превышает 2.1 %, по влажностной кинетике не превышает 5.4 %.

Выводы по главе 6

Методология расчета кинетики сушки жидких дисперсных материалов на подложках, включает в себя:

1. Разделение процесса сушки на отдельные зоны, связанное с механизмом поверхностного и объемного структурообразования, проводимое на основании предложенной модели прогнозирования типа кинетической кривой.

2. Применение в постановке задачи переноса для заданной зоны процесса эквивалентных условий, учитывающих лимитирующие явления в заданной зоне.

3. Применение оценок границ зон процесса с использованием фрактальных моделей поверхностных и объемных структур возникающих при сушке продукта на подложке.

4. Расчет температурной и влажностной кинетики с использованием интервального подхода, линеаризующего на заданном временном интервале нелинейные условия процесса, изменение свойств высыхающего продукта и размера слоев.

5. Учет характера поверхностного структурообразования в расчете температурной и влажностной кинетики с помощью кинетической фрактальной модели поверхности.

6. Расчет кинетических параметров процесса, на основе полученных в работе моделей, оценок и прогнозов.

Глава 7. Инженерная методика расчета кинетики сушки на базе прогнозирования типа кинетической кривой и модифицированных температурно-влажностных зависимостей

Как было отмечено автором в [324] метод расчета кинетики сушки на базе температурно-влажностных зависимостей (ТВЗ) хорошо зарекомендовал себя в исследованиях, проводимых в школе проф. В.И. Коновалова по конвективной сушке кордных и тканевых материалов [40, 41, 43, 45, 49, 52-53, 57, 324, 391, 393].

В используемой ранее методике рекомендовался выбор вида температурно-влажностной зависимости на основе проведенных экспериментов, а для продуктов, не исследованных экспериментально и для оценочных расчетов, рекомендовалось использовать определенный универсальный вид ТВЗ представленный на рисунке 7.1.1 [49, 57].

Рисунок 7.1.1 - Вид ТВЗ, рекомендуемый старой методикой, для оценочных

В старой методике для мягких и жестких режимов сушки всегда использовалась т.н. линейно-лучевая схема, когда определенные опорные точки температурно-влажностной зависимости можно было получить пересечением прямых, проведенных через крайние точки ТВЗ. При этом площадки Тт и Тип

О

расчетов (по данным [49])

были горизонтальными. Например, для мягких режимов предлагался вид температурно-влажностной зависимости представленный на рисунке 7.1.2 [49].

О LU Ü, ио а

Рисунок 7.1.2 - Пример линейно-лучевой схемы для мягких режимов сушки

(по данным [49]).

Однако, как показал опыт проведенных расчетов, при сушке жидких дисперсных продуктов на подложках такая схема дает неудовлетворительный результат, вследствие выявленных особенностей кинетических кривых (гл. 3) [324, 326]. Т.о. необходимо получение модифицированных температурно-влажностных зависимостей, корректно отображающих также характер процесса сушки жидких дисперсных продуктов.

7.1. Модифицированные температурно-влажностные зависимости

Установим связь типа и особенностей кинетической кривой с видом температурно-влажностной зависимости, применительно к кинетическим особенностям сушки жидких дисперсных продуктов на подложках.

Рассмотрим формирование температурно-влажностной зависимости в зависимости от режима сушки отдельно для мягких и жестких режимов сушки.

Мягкиережимы

Как было показано в гл. 4, для мягких режимов сушки выделено 4 вида площадки 7Мт, соответствующих определенному типу и особенности кинетической кривой.

На рисунках 7.1.3-7.1.6 показаны типовые виды термограммы, кривых сушки и температурно-влажностных зависимостей для каждого вида площадки. Характерные кинетические кривые получены при сушке выбранных для исследования жидких дисперсных продуктов на разных подложках при мягких режимах.

Рисунок 7.1.6 - Термограмма, кривая сушки и ТВЗ. Вид площадки 7м = 4.

Температурно-влажностные зависимости для мягкого режима сушки можно условно разделить на 3 участка. Участок №1 - прогрев до площадки Тш. Участок №2 - район площадки Тп- Участок №3 - окончание процесса.

Величина участка №1 как правило незначительна. Этот участок можно описать линейной зависимостью.

Вид участка №3 практически не изменяется для всех видов температурно-влажностных зависимостей (за исключением вида ТВЗ для площадки 7^=4). Как

показал опыт использования температурно-влажностных зависимостей в расчетах кинетики сушки, этот участок хорошо аппроксимируется гиперболической функцией или любой степенной или полиномиальной зависимостью [40, 41, 43, 45, 49, 52-53, 57, 324, 326, 391, 393].

Основной вклад в результат расчета кинетики сушки с использованием температурно-влажностных зависимостей оказывает участок №2 - район площадки Т^. Зависимость на этом участке - линейная, имеющая определенный угол наклона ф. При этом, с увеличением влияния поверхностного структурообразования на кинетику сушки (т.е. фактически с усилением деформации площадки Тл) увеличивается угол наклона ф. При этом, фактически для вида площадки Тмт = 4 имеем случай объединения участка №2 и №3 в одну линейную зависимость.

Необходимо отметить, что для площадки ^=2 и площадки ^=3 температурно-влажностная зависимость имеет одинаковый вид, (характеризуемый определенным углом наклона участка ТВЗ №2 и имеющий линейную зависимость). Соответственно для видов площадки Тмг=2 и Тмг=3 можно предложить один вид ТВЗ [324].

Исходя из анализа полученных видов температурно-влажностных зависимостей для мягких режимов сушки жидких дисперсных продуктов на подложках, предлагается следующая схема модифицированных ТВЗ (рисунок 7.1.7) [324].

к т4 1 1 1 1 1 ' ' ч , ' 14 ! \\ V-.. \ \ ! \ ! т31 \ аТ2 \ : 74............ \ ............. ^ Г ........... т2 ад

т3 ф Г............... \ д т1° т1

Ц икр ц,1 ц

Рисунок 7.1.7 - Общая схема модифицированных температурно-влажностных зависимостей для мягких режимов сушки жидких дисперсных

продуктов

Для инженерного расчета кинетики сушки рекомендуется выбор величины угла наклона ф (рекомендуемые значения получены статистической обработкой экспериментальных данных для рассмотренных факторов, влияющих на вид площадки) в зависимости от величины критерия формирования поверхностной структуры Ф. Для применения общей схемы ТВЗ в расчетах, удобнее в оценке влияние структурообразования на вид площадки Тмт использовать не величину угла ф, а величину подъема площадки АД над рассчитываемым значением Т^. Значения АД и ф легко пересчитываются [326]. Опорные значения рекомендуемых углов и величины АД для мягких режимов сушки приведены далее.

Для выбора вида ТВЗ необходимо определиться с характером участка №1. Возможны следующие положения ТВЗ по точкам:

а) т1 — т10

б) т1 - т2

в) т1 - т21

Как показали результаты проведенного анализа [324], для большинства видов ТВЗ наилучший вариант по точности получается при положении б) и в) с соответствующей оценкой величины

Соответственно, для мягких режимов возможен выбор следующих видов ТВЗ при движении по опорным точкам (таблица 7.1.1).

Таблица 7.1.1 - Опорные точки, сответсвующие выделенному виду температурно-влажностной зависимости для мягких режимов

Вид температурно-влажностной зависимости Опорные точки (в соответствии со схемой на рис. 7.5)

1 т1, т2, т3, т4

2 т1, т21,т31,т4

3 т1, т10,т4

В таблице 7.1.2 представлено соответствие вида площадки, типа кинетической кривой и вида ТВЗ для мягких режимов сушки.

Таблица 7.1.2 - Соответствие вида площадки, типа кинетической кривой и вида температурно-влажностной зависимости для мягких режимов

сушки

Вид площадки Тмт Тип кинетической Вид температурно-

кривой по влажностной

классификации зависимости

1 1-0 1

2 1-1 2

3 1-2 2

4 2-0 3

Жесткие режимы

На рисунках 7.1.8-7.1.16 показаны характерные термограммы, кривые сушки и полученные виды температурно-влажностных зависимостей для жестких режимов.

■г и

1

и

Рисунок 7.1.8 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 4-0

о

о

Т

0 >

0 и

Рисунок 7.1.9 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 4-4 и 4-5

Рисунок 7.1.10 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 3-0

Рисунок 7.1.11 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 4-1 и 4-2

Рисунок 7.1.12 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 4-1,4; 4-1,5; 4-2,4; 4-2,5

Рисунок 7.1.13 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 3-1 и 3-2

Рисунок 7.1.14 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 5-0

Рисунок 7.1.15 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 5-4 и 5-5

Рисунок 7.1.16 - Термограмма, кривая сушки и температурно-влажностная зависимость для типа кинетической кривой 6-0

Характер температурно-влажностных зависимостей для жестких режимов сушки можно условно разделить на 2 зоны: 1 - зона площадки Т^, 2 - зона площадки Тип. В каждой зоне соответственно выделяются следующие участки [324].

Для зоны 1: Участок №1 - прогрев до соответствующей площадки Тмт. Участок №2 - район площадки Т^. Участок №3 - прогрев до начала зоны 2 (площадки Тип).

Для зоны 2: Участок №4 - район площадки Тип. Участок №5 - окончание процесса (прогрев до конечной температуры).

Как видно из представленных кривых участки могут выделяться самостоятельно или объединяться между собой в зависимости от получаемого типа кинетических кривых.

Необходимо отметить, что для жестких режимов сушки (аналогично мягким режимам) для вида площадки кипения Тип=2 и Тип=3 температурно-влажностная зависимость имеет одинаковый вид, (характеризуемый определенным углом наклона участка ТВЗ №2 и имеющий линейную зависимость).

На рисунке 7.1.17 представлена общая схема температурно-влажностных зависимостей для жестких режимов сушки.

Величины АД и АД получаем оценкой, аналогичной мягким режимам. Аналогично мягким режимам, для применения общей схемы ТВЗ в расчетах для жестких режимов, удобнее в расчете угла наклона площадки Тип использовать величину подъема площадки АД и АД над величиной Тип (для водных дисперсий - 100 0С). Опорные значения величины АД для жестких режимов сушки приведены далее.

Соответственно, для жестких режимов возможен выбор следующих видов ТВЗ при движении по опорным точкам (таблица 7.1.3) [324].

Таблица 7.1.3 - Опорные точки, сответсвующие выделенному виду температурно-влажностной зависимости для жестких режимов

Вид температурно-влажностной зависимости Опорные точки (в соответствии со схемой на рис. 7.15)

1 т1, т2, т3, т4, т5, т6.

2 т1, т2, т3, т41, т51, т6.

3 т1, т2,т3, т6.

4 т1, т21, т31, т4, т5, т6.

5 т1, т2*, т3!, т4\ т5*, т6.

6 т1, т21,т31, т6.

7 т1, т4, т5, т6.

8 т1, т41, т51, т6.

9 т1, т6.

В таблице 7.1.4 представлено соответствие вида площадок, типа кинетической кривой и вида ТВЗ для жестких режимов сушки.

Таблица 7.1.4 - Соответствие вида площадок, типа кинетической кривой и вида температурно-влажностной зависимости для жестких

режимов сушки

Вид площадки Т Вид площадки Т Тип кинетической кривой по классификации Вид ТВЗ

1 1 4-0 1

2 1 4-1 4

3 1 4-2 4

4 1 5-0 7

1 2 4-4 2

2 2 4-1,4 5

3 2 4-2,4 5

4 2 5-4 8

1 3 4-5 2

2 3 4-1, 5 5

3 3 4-2, 5 5

4 3 5-5 8

1 4 3-0 3

2 4 3-1 6

3 4 3-2 6

4 4 6-0 9

7.2. Алгоритм инженерной методики расчета кинетики сушки

Как было показано автором в работе [324], разработанный метод прогнозирования типа кинетической кривой при сушке жидких дисперсных продуктов на подложках позволяет выработать инженерную методику расчета кинетики сушки на базе решения основного уравнения кинетики сушки с использованием связанной с выделенным типом кинетической кривой температурно-влажностной зависимости определенного вида.

Предлагаемая методика является развитием методики проф. В.И. Коновалова [49, 391] со следующими особенностями:

1. Выбор вида температурно-влажностной зависимости осуществляется на основе прогноза типа кинетической кривой по разработанной в представленной работе модели прогноза.

2. В классической методике использовалась т.н. линейно-лучевая схема, когда определенные опорные точки ТВЗ можно было получить пересечением прямых, проведенных через крайние точки ТВЗ. При этом площадки Тмт и Тип были всегда горизонтальными. Однако, как показал анализ ТВЗ, в случае сушки жидких дисперсных продуктов на подложках такая схема дает неудовлетворительный результат.

Поэтому в предлагаемой методике расчета кинетики сушки вводятся участки площадок Тмт и Тип, которые в зависимости от типа кинетической кривой могут менять свой наклон. Соответствующие значения опорных точек оцениваются исходя из степени структурообразования, оцениваемой значением критерия Ф [324].

7.2.1. Основные зависимости, используемые для расчета опорных точек температурно-влажностных зависимостей

Расчет кинетики сушки на основе ТВЗ базируется на решении т.н. основного уравнения кинетики сушки [324], записываемого для случая конвективного теплоподвода в виде:

-Мгг^-+Мгс— = аАгс-Т), (7.1)

с/т с/т

где /Ц - масса сухого тела, кг; F- площадь теплоподвода, м2; г - теплота парообразования, Дж/кг; с - теплоемкость, Дж/(кг-К); а - коэффициент

л

теплоотдачи, Вт/(м -К).

При известном виде зависимости У(УУ) уравнение (7.1.) преобразуется к виду, удобному для численного интегрирования:

Uкз

т =

инз

\/(U)dU, (7.2)

где и /4Г, границы участка интегрирования ТВЗ.

В частности, для линейной зависимости /(//) вида /-¿/+А/"/уравнение (7.2.) имеет вид:

"" -Мтг + Мтс/>

т =

[/из

Г - JVJГГ + JVJ гсо — srj ^ч