автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование процесса псевдосжижения в аппаратах с вращающимся слоем дисперсных материалов

.. fj

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

IIa правах рукописи УДК 66.096.5

ДУДКИН Сергей Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ В АППАРАТАХ С ВРАЩАОДИМСЯ СЛОЕМ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.19*12 - Процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Рабога выполнена в Санкт-Петербургской технологичеекои институте холодильной промышленности.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ЛУШ Николай Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор РАШКОВСКАЯ Наталья Борисовна

доктор технических наук, профессор UACJIOB Анатолий Михайлович

tu

Запита диссертации состоится ^¿bzf-P_1992 г.

в час. на заседании специализированного Совета Д 063.02.02

при Санкт-Петербургской технологической институте холодильной промышленности.

Ьаи отзыв (в двух экземплярах), заверенный печатью, просим направлять в адрес института: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека института.

Автореферат разослан ¿¿si/it'^C-P 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических нау

Ю.Г.Стегадмчев

- '' '3

.!. .¡:1т

-гдпл ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВДШ

Актуальность темы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса является интенсификация технологических процессов. Особое внимание уделяется улучшению использования основных производственных фондов, обеспечении ресурсосбережения.

На многих предприятиях сушка является основной и самой энергоемкой операцией. Все большее распространение в пищевой промышленности приобретает многостадийный метод сушки, позволяющий проводить процесс при сравнительно мягких условиях. В настоящее время в нашей стране в подавлявшем большинстве случаев сушка распылением проводится в одну стадию. Модернизация сутвилок для организации многостадийного процесса сушки позволит увеличить их производительность при улучшении качества продукта и уменьшении Энергозатрат. Необходимо создавать аппараты, позволяющие установить наиболее рациональные ре-яимы как в первом, так и во втором периодах сушки.

Одним из направлений интенсификации процесса сушки является применение аппарата псевдоожияенного слоя, встроенного в коническую часть распылительной сушилки. Особую сложность при псевдоожижении газом вызывают мелкодисперсные материалы (порошки), так как они характеризуются аномальным поведением по сравнению с пседдоояижением более крупных дисперсных материалов. Использование традиционной техники псевдоожижения для ах обработки встречается о большими трудностями.

Задача создания аппаратов псевдоожгасенного слоя для обработки мелкодисперсных материалов без применения вибраций к перемешивающих устройств является актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамики и тепломассообмена во вращающемся псевцоолсижекном слое, разработка аппарата для сушки мелкодисперсных материалов приме нительно к распылитель-1гым сушилкам и методики его расчета.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- систематизировать данные по аппаратурному решению процессов сутки жидких продуктов н две стадии с применением аппаратов псевдо-ожиженного слоя я псевдоокижения мелкодисперсных материалов;

- теоретически и экспериментально исследовать процесс пседдо-охихетш дисперсных материалов во вращаюлемся слое;

- разработать математическую модель вращающегося псевдоожш&зн-ного слоя;

- экспериментально исследовать процесс сушки молочных продуктов при влажности менее 10% для определения параметров сушки в псевдоожиженном слое;

- разработать методику инженерного расчета установки для сушки молочных продуктов;

- видать рекомендации по модернизации распылительных сушилок с использованием встроенного аппарата псевдоодихенного слоя (ВАПС),

Научна^ новизна. Исследованы основные закономерности псевдооаш-хения мелкодисперсных материалов во вращающемся псевдоожиженном слое. На основе аналогии с поведением жидкости во вращающемся сосуде предложена математическая модель слоя. Исследовано влияние геометрии газораспределителя на поведение слоя. Получены эмпирические зависимости для расчета гидродинамических параметров вращающегося слоя. Проварена адекватность модели с даышш экспериментов. Разработана методика расчета основных параметров процесса сушки молочных продуктов при низкой влажности.

Практическая ценность. Предложена методика расчета гидродинамических параметров псеадоожижения мелкодисперсных материалов в аппаратах с вращалцимся псавдоэкчкенным слоем, параметров сушки порошков сухого обезжиренного молока (СОМ) и заменителя цельного молока (ЗЦМ). Связь между параметрами представлена в виде эмпирических зависимостей и графиков. Представлена методика инженерного расчета аппарата, встроенного в распылительную сушилку.

Результаты диссертационной работы использованы в рабочем проекте модернизации распылительном сушилки производительностью 1000 кг/час по испаренной влаге, выполненном Омоним филиалом ВШШ.

Апробация работы.Материалы диссертационной работы догладывались автором на всесоюзных научно-технических конференциях "Вклад молодых ученых в ускорение и развитие масложировой отрасли в новых условиях" (Ленинград, 1989) и "Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности" (Владивосток, 1989), а также на ХУ1-ХХ научно-технических конференциях сотрудников ЛТИХП (Ленинград, 1987-1991).

Публикации. По тема диссертационной работы имеется 5 публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы (130 наименований). Основной текст изложен на 133 страницах машинописного текста, содержит 41 риоуншс,. 6 таблицу 5 страниц приложений.

ОСНОВНОЙ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ современных исследования в области распылительнои сушки показал, что наиболее перспективным направлением модернизации распылительных сушилок для организации многостадийного процесса сушки термолабильных материалов является использование стационарных аппаратов с вращающимся псевдоожикенным слоем, встроенным в коническую часть сушилки.

Рассмотрение состояния техники псевдоожижения мелкодисперсных материалов выявило, что ни одно из теоретических исследований не в состоянии дать исчерпывающих рекомендации для создания аппаратов вращающегося кипящего слоя для супхи порошков. Выполненный литературный обзор позволил на основе изучения опита проектирования и эксплуатации различных аппаратов сфориулировать основные направления исследований встроенного в распылительную сушилку аппарата вращающегося псеЕдоонижеиного слоя.

Исследование гидродинамики вратамегося кипящего слоя

Для проведения экспериментальных исследований была создана лабораторная установка, схема которой приведена на рио.1. Рабочи-л участок I представлял собой полый цилиндр с фланцами, выполненный из оргстекла. К нижнему фланцу присоединяли газораспределитель 3, обеспечивающий тангенциальный подвод воздуха в аппарат. По центру газораспределителя располагалась цяяинцро-коническая вставка 2.

Газораспределитель 3 представлял собой диск с прорезанными щелями 4, на которые сверху наложены пластины 5 в виде сегментов с образованием вертикального зазора & . Щели в газораспределителях располагали радиально, а также по касательным к окружности, проведенной из центра газораспределителя, т.е. образуя с радиусом угол <f на диаметре a • Щели направляли как к центру аппарата, так и к периферии.

Воздух под действием вентилятора б поступал в аппарат тангенциально из щели мевду пластиной и диском. Тангенциальный подвод воздуха и наличие в центре вставки обеспечивали движение псе дцоожикеиного • слоя по кольцу. Расход воздуха регулировали шиберным краном 7 т. контролировали по показаниям дпфманометра S, соединенного с камерной диафрагмой 9. Гидравлическое сопротивление аппарат*измеряли дифмано-метром 10.

Рабочие участки были изготовлены диаметрами 120, 200, 300 мм. Диаметры цилиндрических частей вставки были выбраны соответственно 72, 120, 180 мм. В качестве модельных материалов использовали песок, поластироловые шарики, маннуа крупу, пшено, СОМ, ЗЩ.

При проведении опытов измеряли следующие параметры:

- скорость начала вращения слоя \л/#вр ,

- скорость начала устойчивой работы

- скорость начала освобождения решетки от частиц

- угловую скорость вращения слоя Со ,

- гидравлическое сопротивление газораспределителя 4 Пг,

- гидравлическое сопротивление слоя л Рсл.

Гидравлическое сопротивление газораспределигеля и слоя измеряли дифманометром 10, полагая, что гидравлическое сопротивление решетки не зависит от висоты слоя.

. Угловую скорость вращения оценивали с помощью меченых частиц. Кроме того, был сконструирован прибор, представляющий собой погруженные в слой лопасти, жестко закрепленные на валу, расположенном на оси аппарата. Вращающийся слой приводил во вращение лопасти вместе с валом.

Скорости начала вращения и начала устойчивой работы определяли визуально, а также по изменению сопротивления слоя. Для более точного определения этих скоростей была создана измерительная система с емкостным датчиком, осуществляющая измерение порозности приреше-точного слоя по принципу частотной модуляции. Модулятором частоты является конденсаторный датчик, который представлял собой медный диск диаметром 15 мм, встроенный во фторопластовый корпус. Корпус вставляли в отверстия газораспределителя заподлицо с его верхней поверхностью. Отклонение частоты генератора от рабочей преобразуется с помощью дискриминатора в напряжение, которое через уоилитель тока подается для регистрации на вход самописца. При неподвижном слое измерительный комплекс настраивали на максимальное отклонение. В момент начаЯД устойчивой работы аппарата, когда порозность приро-шеточного слоя материала близка к I, стрелка самописца приходит в нулевое положение. Положение датчика варьировали по радиусу аппарата и по расстоянию от щели.

Чрезвычайно важное значение имеет конструкция газораспределителя, которая, кроме всего прочего, предопределяет гидравлическое сопротивление аппарата. Экспериментально был оценен коэффициент гидравлического сопротивления газораспределительной решетки по формуле: _

У- 2-АП- щ (1)

б ^е-М,*

В исследованном диапазоне скоростей С слабо зависит от Не= ^оД/Иа а в значительной мере зависит от высоты зазора £ , т.е. от про-

ходкого сечения решетки Г. В результате обработки эксперюлешальных данных для аппаратов с 8 и 6 щелями било получено:

-$=бГО/Г (2)

При проведении опытов о модельными материала,™ было отмочено, что кривые псевдоожикения при увеличении и уменьшения скорости воздуха в аппарате практически совпадали, ато позволяет судить о структурных изменениях в слое при достижении критических скоростей воздуха.

При постепенном увеличении подачи воздуха через щели газораспределителя вначале воздух движется через слол я режиме фильтрации, затем вблизи целей образуется каверна. Сопротивление слоя растет (рис.2). Дальнейшее увеличение скорости воздуха приводит к образованию струйного течения. Далее сопротивление слоя практически не растет. Достижение скорости начала вращения приводит к образованию факела струи в направлении истечения. Сопротивление слоя резко возрастает. Это обусловлено тем, что каналы разрушаются, а все больше частичек приходит в движение. Сопротивление растет до достижения скорости начала устойчивой работы, когда в прирешеточной зоне образуется воздушная проело¡¡ка с высокой порозностью, а весь слой приходит во вращение.

Вращение слоя как единого целого происходит для относительно низких слоев (Но/'ЭЬ <0,1). Для более высоких слоев наблюдали интенсивное вращательное движение части слоя, прилегающего к решетке, а остальная часть вела себя как обычный кипящий слой, вращающийся с очень низкой частотой вращения.

Для низких слоев была отмечена аналогия с поведением жидкости во вращающемся сосуде, когда на поверхности жидкости формируется параболоид вращения. Допуская, что плотность слоя постоянна по объему, можно полагать, что к вращающемуся слою применимо уравнение с)/лера для поверхности жидкости во вращающемся сосуде:

СОг-7г (3)

Были получены формулы для расчета геометрических характеристик лсевдоояшавяного слоя, а также предельно,! угловой скорости вращения, при которой начинается освобождение газораспределителя от твердых частиц:

Полагаем, что вращающийся псевдоошженный слой представляет собой пористое тело со средней порозностью £ , вращающееся с утло-

вой скоростью СО . Скорость одижащего агента вдоль щели принимаем постоянной и равной . Охижащий' агент вытекает из щели под уг-

лом к плоскости газораспределительной решетки. Вся анергия-газовой струи подводится к слою. Считаем, что к слою приложены силы: сила тяжести '"¿Р . сиа воздействия газовой струи Рс и сила трения слоя о стенки аппарата . Из уравнения вращения тала вокруг неподвижной оси: м ~п

(5)

где 3г ->2^ - момент инерции вращающегося тела;

/77г (/к)- момент внешней сипы относительно оси вращения; ф - угол поворота.

Для случат равномерного вращения получены формулы для расчета угловой скорости вращения (6) и скорости начала вращения слоя (7):

,1-гШ. Гил /я» у

Щвр - По\]

Одним из наболее важных параметров является коэффициент трения скольжения псевдоожияенного слоя , приводящий все силы трения к боковой поверхности слоя. Если исходить из того, что форма поверхности вращащегося слоя - параболоид вращения, то это должно оказывать влияние на распределение ожижающего агента по сечению слоя, а следовательно, и на угол оС- , который в формуле (6) является средней величиной и характеризует взаимодействие воздуха со слоем. Учитывая, что экспериментальное определение / а ^ затрудне-' но, введем коэффициент /

~ ТьГы. (8)

В результате обработки экспериментальных данных было получено, что практически на зависит от физических свойств материала, живого сечения решетки /7 , диаметра аппарата . Он превде всего зависит от высоты неподвижного слоя материала

(9)

Слой начинает равномерно вращаться при скорости начала устойчивой работы |л/нур* которая связана со скоростью начала вращения соотношением: ,

\л/нур - Км " ^ИвР цо)

Установлено, что коэффициент К^ аналогичен числу поевдоож^ания Км/

Он зависит, прежде всего, от физических свойств част очередного диаметра с!ч и кажущейся плотности __/!» . В результате обработки экспериментальных данных было получено: 0 ^

' (II)

Так как слой имеет форму параболоида вращения, то вначале во вращение переходят более низкие слои материала, расположенные у ци-линдро-конической вставки, а затем пристенные слои материала. Для обеспечения более равномерного псевдоожижения материала в аппарате неоСгодкмо к пристенным слоям подводить больше воздуха, нежели к слою в центре аппарата. Этого можно достичь, если щели развернуть к периферии аппарата. Безусловно, при развороте щелей уменьшится тангенциальная составляющая скорости воздуха:

Рс'^Рс-а^х «а)

Но при атом из-за улучшения газораспределения происходит уменьшение скорости начала устойчивой работы на величину /Ту, который мы назвали коэффициентом улучшения использования энергии газовой струи, т.е.:

~ ^ = и/^/Л'у • (13)

Коэффициент Л у зависит от угла разворота пластин О . В результата обработки экспериментальных данных было получено:

К у - о, (и)

Подставляя (8), (10), (12), (13) в (6), получаем:

Сравнение опытных значений угловой скорости начала устойчивого вращения и рассчитанных по формуле (15) с учетом (9), (II), (14) дало удовлетворительные результаты.

В связи с тем, что практическое применеиие предполагалось на предприятиях молочной промышленности, по эмпирическим зависимостям для модельных материалов (7),(8),(10),(13) с учетом (9),(II),(14) были рассчитаны скорости начала устойчивой работы для молочных продуктов. Сравнение опытных и расчетных зависимостей для сухого обезжиренного молока (СОМ) и заменителя цельного молока (ЗЦМ) дало удовлетворительные результаты.

Исследование кинетики сушки молочных продуктов

Для исследования кинетики сушки была создана экспериментальная установка (рис.3) с рабочим участком из металла диаметром 120 мм, аналогичным представленному на рис.1. В верхнюю часть рабочего участка I был встроен рукавный фяльтр 2 с механизмом для встряхивания.

Материал загружали через отверстие 3. Пробы отбирали пробоотборником 4. Часть воздуха из атмосферы поступала в адсорбзр 5, а оставшаяся - в увлажнитель 6 с насосом 7 для создания циркуляции воды через насадку. Для обеспечения заданной влажности сушильного агента осушенный (ys = 0) и увлажненный = I) воздух смешивали, нагревали в калорифере 8 и подавали в аппарат.

Расход сухого и влажного воздуха регулировали проходными кранами S и 10 и контролировали по прибору II (ТДЕ-4), соединенному с камерными диафрагмами 12.Кроме того, прибором II измеряли общий расход воздуха а гидравлическое сопротивление аппарата. Температуру воздуха на входе и выходе из аппарата контролировали по приборам 13 (Ф 4312).

Перед экспериментом материал увлажняли в замкнутом объеме при повышенной влажности в течение нескольких суток (3-10 суток).

По экспериментальным данным были построены кривые нагрева и сушки порошков COU и 3IP.1, наиболее типичные из которых представлены на рас.4. На первом этапе удаление влаги из ЗЦМ происходит значительно интенсивней, нежели из СОМ. Это связано о тем, что ЗЦЛ содержит до 18/5 жиросодержащих компонентов.

Било отмечено некоторое уменьшение скорости процесса при достижении порошками влажности 3-6%, и чем менее интенсивен процесс, тем эта "задержка" более длительна. Определенный вклад здесь вносот возможный переход лактозы из аморфного состояния в кристаллическое, который происходит, превде всего, при длительном увлажнении порошка перед сушкой. Отмечено, что после увлажнения порошков их сыпучесть улучшалась. Кроме того, при суике ЗЩ выше 30°С происходит процесс плавления жира, что также вносит изменения в характер процесса.

Кинетика судки и нагрева во втором периоде определяется внутренним тепломассопереносом. Для определения временя десорбции влаги можно использовать известное уравнение, описывающее процесс сушки во втором периоде:

где К - коэффициент суши, который зависит от материала и режима суики, кг/кг.с.

В связи с тем, что процесс сушки до равновесной влажности весьма длителен, то для описания кривых с помощью уравнения (16) потребовалось ввести "квазиравновесную влажность" Up . При этом Up зависела, в основном, от температуры слоя в отличие от равновесной апак-ности Vp , которая зависит от относительной влажности сушильного

аганта. Значения К и Up были определены из условия наилучшее сходимости экспериментальных и расчетных данных.

Большой интерес представляет расчет средних значений коэффициента сушки при различных температурах слоя. Воспользовавшсь уравнением Аррениуса: ^

/(=К0ехр(~^л) (17)

к определению К , были оценены энергия активации и предзкспо-ненциалыши коэффициент Р(а для СОМ и ЗЦМ. При этом использовали коэффициенты, полученные из анализа кривых сушки.

Сравнение опытных значений и рассчитанных по формулам (16 и (17) дало удовлетворительные результаты.

В результате проведенных исследований были выданы рекомендации по модернизации распылительной сушилки с целыо перевода

ее на работу по двухступенчатом схема сушки. Схема модернизированной сушильной установки представлена на рас.5. За счет дополнительной подачи продукта в башню осуществляется снижение температуры воздуха на выходе из сушильной камеры. Это приводит к тому, что частицы порошка с повышенной влаяностыо поступают в БАПС, где и досушиваются до кондиционной влажности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТА И ВЫВОДЫ РАБОТУ

1. На основа проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработана гидродинамическая модель вращающегося псевдо-ожикаиного слоя. Получены формулы для расчета основных параметров процесса псевдоожижения дисперсных материалов во вращающемся псевдо- • ожшшкном слое.

2. Разработаны рекомендации по созданию аппаратов с вращающимся псевдоожиженкым слоем мелкодисперен^ материалов.

3. Проведены экспериментальное и теоретические исследования процесса сушки молочных продуктов во вращающемся псевдоожижеином слое. Установлены особенности кинетики сушки СОМ и ЗЦМ при влая лети 3-65?, связанные с 'переходом лактозы из аморфного в кристаллическое состояние.

4. Выданы рекомэедацяи по модернизации распылительных сушильных установок с использованием аппаратов о вращающимся псевдоожиженкым слоем для сушки СОМ и ЗЦМ. Разработана методика расчета основных параметров процесса сушки для модернизированных установок.

Экс первыевтадь я ая установка

рис.!

Кривые псевяоояиженяя a Pc* ЛРГ

Экспериментальная устыюька по исслздоЕанию клкеткки cvlm

технологическая схема вддер!йяиробанш1 стирки л.23.201 .ссо. с ^пользованием еаш

7,II-шлюзовые затворы; 8- "Воздушная метла"; Ю- циклон.

5. Результаты диссертационной работы били использованы в рабочем проекте на модернизацию распылительной сушилки производительностью 1000 кг/час по испаренной влаге, выполненном Омским филиалом ШИКШ! для Гомельского областного объединения мясо-молочной промышленности.

6. Модернизация распылительной сушилки для производства СОМ и ЗЦМ обеспечит повышение производительности сушильной установки на 2Ь% при улучшении качества продукта и снижении энергозатрат на 2U$.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Дудкин С.П., Васильев М.Г., Лукин H.H. Сушка дисперсных молочных продуктов в аппарате с вращающимся псевдоожиженным слоем // Вклад мол о я ¡ос ученых и специалистов в ускорение и развитие масложировоЧ отрасли в новых условиях хозяйствования: Тез.докл.Всес.науч.-техн.конф. -JI.: НБШ. 1989, с.32-33.

2. Васильев М.Г., Лукин H.H., Дудкин С.П. Основные закономерности сушш дисперсных пищевых продуктов во вращающемся псеццоожихенном слое. // Интенсификация технологических процессов в рыбной промилленооти: Тез.докл.Всес.науч.-техн.конф. - Владивосток: I9Ö9, с.76-79.

3. Лукин И.И., Дудкин С.П., Васильев М.Г. Особенности псевдоожижения дисперсных материалов в аппаратах с вращающимся псваюожиженним слоем.// Деп.АгроШГЭШШ J6 2063 от II.0Ö.Ü9.

4. Лукин Н.И., Дудкин С.П. Исследование процесса сушки обезжиренного молока в аппарате с вращающимся псевдоожиженным слоем.// Доп. АгроНИИТЭШ № 2619 от 10.01.90.

5. Дудкин С.П., Лукин Н.И., Ариинова Т.Ф. К обоснованию выбора параметров сушки 2ЦЯ на распылительной сушилке со встроенным аппаратом псевдоожшаз иного слоя.//Деп.Агро1ШГЭИПП А 2348 от 19.12.90.

Основные условные обозначения

с/ - диаметры аппарата и вставки, м; F- площадь, м^; ß - ускорение свободного падения, м/о^; Но - высота неподвижного слоя материала, м; А - высота, м;/?? - масса слоя, кг; R = 8,31 Дк/(мпль.К) -газовая постоянная; Т - радиус вращения, ы; Тел - абсолютная температура слоя, К; U, Upt Uh - текущая, равновесная а начальная влажности материала, %; к/ - скорость воздуха, м/с; ¿Г - угол отклонения щэли от радиального, град^д ,jPe f - коэффициент динамической вязкости, плотность, относительная влажность воздуха; СО- угловая скорость вращения слоя, с-*; f - время, с; индексы: а - аппарат, г - газорасаредели-тель, з - зазор, д - проходное и живее сечения

гаэораспределителя; критерии подобия: - Рейнольде а, At - Архимеда.