Національного університету “Львівська політехніка”, м. Львів

доктор технічних наук, професор

Малежик Іван Федорович

завідувач кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування Національного університету харчових технологій, м. Київ

доктор технічних наук, професор

Білей Петро Васильович

Національного лісотехнічного університету України, м. Львів

Сумський державний університет Міністерства освіти і науки України, м. Суми.

Захист відбудеться 14 травня 2007 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів - 13, пл. Св. Юра 9, корпус 9, ауд. 214.

Із дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів - 13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 14 квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Атаманюк В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Сушіння відноситься до найбільш енергоємних технологічних процесів, яке має широке застосування у хімічній, харчовій, легкій, сільськогосподарській та інших галузях промисловості. До величезного різноманіття матеріалів, які підлягають сушінню належать пастоподібні продукти органічного і неорганічного походження, такі як метатитанова кислота і пекарські дріжджі.

Метатитанова кислота Н2ТіО3 (МТК) є проміжним продуктом у виробництві пігментного двоокису титану і її сушіння на Україні практично не досліджувалося. МТК після фільтрування на барабанних вакуум-фільтрах зрізається ножем і подається в барабанну обертову піч на стадію дегідратації. Виробництво пігментного двоокису титану є достатньо енергоємним і дорогим. Однак він є необхідним у лакофарбовому виробництві для виготовлення водоемульсійних фарб і алкідних емалей, у виробництві високоякісного паперу, пластмас і хімічних волокон, поліоліфінів, полівінілхлорида, полівінілацетата, полі акрилатів, феноло-формальдегідних смол, полістирольних пластиків, для виготовлення пластмасового посуду і дитячих іграшок, гумовотехнічних виробів, штучної шкіри, силікатних емалей тощо. Варто зауважити, що експорт пігментного двоокису титану у 2005 році становив 5,3 % від загального обсягу хімічної і нафтохімічної продукції України.

Вкрай необхідним є сушіння пекарських дріжджів. Із розвитком пекарської та фармацевтичної промисловості попит на цей продукт значно зріс. Однак нестійкість пресованих дріжджів під час зберігання обмежує їх застосування, а сушені тривалий час зберігають свої властивості навіть за кімнатної температури. Крім цього, перевезення сушених дріжджів є значно простішим ніж пресованих, для чого необхідна велика кількість спеціальних ізотермічних вагонів. Існуючі методи сушіння забезпечують високу якість готового продукту, однак характеризуються великими енергетичними затратами, високою собівартістю та тривалістю процесу.

Отже створення нових методів сушіння МТК і пекарських дріжджів, які дозволять зменшити енергетичні затрати, інтенсифікувати процес, уникнути забруднення довкілля і зберегти високі якісні показники, є актуальним на даний час. Серед можливих шляхів вирішення проблеми сушіння пастоподібних матеріалів викликає інтерес метод зневоднення, коли теплоносій під дією перепаду тиску фільтрується через висушуваний шар матеріалу в напрямку поверхня матеріалу > перфорована перегородка. Фільтраційний метод сушіння є нетривалим та енергоощадливішим порівняно з багатьма іншими методами. Його дослідження і впровадження для зневоднення пастоподібних матеріалів дало б змогу зменшити енерговитрати, металоємність сушильного обладнання, покращити якісні показники готового продукту та екологічну ситуацію повітряного басейну.

Звґязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри хімічної інженерії Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0194U029586).

Мета і задачі дослідження. Інтенсифікація процесу сушіння пастоподібних матеріалів різної природи та структури в нерухомому шарі для збільшення його енергоощадності, уникнення викидів дрібнодисперсної фази у довкілля та покращання якості готового продукту.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

вивчити гідродинаміку під час руху теплоносія через сухий шар МТК із створеною у ньому штучною пористістю та додатковим підведенням тепла;

вивчити гідродинаміку під час руху теплоносія через сухі шари МТК та пекарських дріжджів, сформованих у вигляді вермішелі;

вивчити гідродинаміку сушіння вологих шарів МТК та пекарських дріжджів: зі створеною у них штучною пористістю; додатковим підведенням тепла в шар матеріалу; сформованих у вигляді вермішелі;

вивчити кінетику сушіння під час фільтрування теплоносія через шар пастоподібних матеріалів, а також конвективним та конвективно-кондуктивним методами;

визначити механізм сушіння МТК та пекарських дріжджів, узагальнити результати досліджень та проаналізувати гідродинамічні і кінетичні особливості процесу сушіння пастоподібних матеріалів досліджуваними методами;

розробити методику розрахунку конструктивних параметрів сушарок для зневоднення пастоподібних матеріалів та їх принципові схеми.

Об'єкт дослідження - гідродинаміка та кінетика сушіння МТК та пекарських дріжджів у нерухомому шарі.

Предмет дослідження - вплив параметрів процесу, геометричних параметрів та структури шару, способів підведення додаткового тепла та природи матеріалів на кінетичні та гідродинамічні показники їх сушіння в нерухомому шарі.

Методи дослідження - для досліджень гідродинаміки сухого та вологого шарів пастоподібних матеріалів використовували гідродинамічний аналіз. Дослідження кінетики сушіння виконували за допомогою об`ємного аналізу. Для визначення поточної вологості матеріалу під час досліджень кінетики сушіння використовували ваговий метод. Теоретичні розрахунки та обробку експериментальних даних виконано за допомогою комп`ютерних програм Exel, Grafer, Pascal. Аналіз якості висушених пекарських дріжджів виконувався працівниками центральної лабораторії ЗАТ “Ензим”.

Наукова новизна. Визначено механізм сушіння пастоподібних матеріалів (МТК та пекарських дріжджів) методом фільтрації теплоносія через шар висушуваних матеріалів. Вперше вивчено вплив підведення додаткового тепла в шар його перфоруванням та розміщенням у ньому плоскої металевої сітки і сітки об'ємної форми на кінетику і гідродинаміку сушіння. Вперше встановлено залежність від висоти шару гідродинамічних коефіцієнтів А* та В*, які входять в модифіковане рівняння Ергана. Вперше доведено, що відносний коефіцієнт сушіння ч залежить від методу сушіння та способу додаткового підведення тепла до висушуваного матеріалу. Вперше визначено гідродинамічні та кінетичні коефіцієнти, що входять в рівняння, які прогнозують процес сушіння досліджуваних пастоподібних матеріалів методом фільтрації теплоносія через: перфорований шар; при підведенні додаткового тепла; шар сформований у вигляді вермішелі. Визначено кінетичні коефіцієнти, які входять у рівняння, що прогнозують кінетику конвективного та конвективно-кондуктивного сушіння МТК та пекарських дріжджів.

Практичне значення отриманих результатів. Отримано гідродинамічні та кінетичні залежності, які дають можливість прогнозувати процес сушіння досліджуваними методами у першому та другому періодах. Запропоновано ефективний спосіб сушіння пастоподібних матеріалів із збереженням якісних характеристик готового продукту. На основі експериментальних досліджень розроблено методику розрахунку та принципові схеми установок для сушіння МТК та пекарських дріжджів, які передано ЗАТ “Ензим”, м. Львів та ЗАТ “Кримський ТИТАН”, м. Армянськ.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні досліджень як в експериментальному, так і в аналітичному плані, а саме: аналіз джерел літератури, підбір та апробація методик досліджень, узагальнення отриманих результатів, оформлення статей та заявок на одержання деклараційних патентів на винаходи і корисну модель, доповіді на наукових конференціях. Постановка завдання та формулювання висновків проводились під керівництвом наукового керівника д.т.н, проф. Ханика Я.М.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на Х міжнародній конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ІССЕ - 99), Львів - 99, VIII науковій конференції “Львівські хімічні читання - 2001”, ІV Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів - 2003), VIII Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми управління якістю підготовки фахівців - екологів у світлі інтеграції освіти України в європейський простір та перспективні природоохоронні технології” (м. Львів - 2003), ІІІ науково-технічній конференції “Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості” (м. Львів - 2004), ХІ Міжнародній науковій конференції “Удосконалення процесів та обладнання харчових та хімічних виробництв” (м. Одеса - 2006).

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 14 статей у наукових фахових виданнях, 3 тез доповідей на наукових міжнародних та всеукраїнських конференціях, отримано 1 деклараційний патент України на винахід та 1 деклараційний патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків по роботі, списку літератури, додатків. Матеріали роботи викладено на 146 сторінках машинописного тексту, містять: рисунків - 84, таблиць - 1, список літератури містить 178 джерел. Додатки складають 59 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми сушіння пастоподібних матеріалів, до яких відносяться МТК та пекарські дріжджі, викладена мета роботи і задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність дисертаційної роботи, наведено інформацію про апробацію отриманих результатів роботи, публікації, структуру та обсяг роботи, основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі „Огляд джерел літератури” наведено основні положення теорії сушіння. Проведено критичний аналіз існуючих методів сушіння пастоподібних матеріалів. Проаналізовано механізм та особливості перебігу фільтраційного сушіння листових матеріалів, виробів складної форми, дисперсних матеріалів, наведено його переваги. Доведено необхідність сушіння МТК перед стадією дегідратації та наявність проблеми сушіння пекарських дріжджів. Обґрунтовано вибір способу сушіння методом фільтрації теплоносія через шар висушуваного матеріалу, сформульовано мету та задачі досліджень.

У другому розділі „Характеристика досліджуваних матеріалів та методика проведення експериментів” обґрунтовано вибір об'єктів дослідження, наведена їхня характеристика, представлена методика проведення експериментальних досліджень методом фільтрування теплоносія через шар матеріалу, конвективним та конвективно-кондуктивним методами у нерухомому шарі, подано схеми та опис експериментальних установок.

У третьому розділі “Гідродинаміка сушіння пастоподібних матеріалів методом фільтрації теплоносія через шар матеріалу” наведено результати досліджень гідродинаміки через сухі та вологі шари досліджуваних матеріалів. Результати досліджень гідродинаміки сухих шарів МТК та пекарських дріжджів на ведені на рис. 1 та рис. 2.

Для узагальнення гідродинаміки сухого шару досліджуваних матеріалів використано модифіковане рівняння (1) Ергана, отримане в результаті перетворень рівняння Дарсі-Вейсбаха:

(1)

Коефіцієнт А* відображає вплив в'язкісних сил на величину гідравлічного опору, а коефіцієнт В* - вплив інерційних сил. Визначення А* і В* необхідне для розрахунку гідравлічного опору шару МТК та пекарських дріжджів, а отже і розрахунку енергетичних затрат на процес зневоднення. Вони залежать від властивостей теплоносія та структурної характеристики матеріалу, крім цього встановлено їхню залежність від висоти шару матеріалу, враховуючи яку одержано рівняння для розрахунку гідравлічного опору:

- сухого шару МТК зі створеною в ньому штучною пористістю:

А* = 57,8446·Н-1,523 (1)

В*=2,47392·Н-1,8589 (2)

ДР=57,84 Н-0,55·щ0+2,47·Н-0,86· (3)

- сухого шару МТК із розміщеною в ньому об`ємною металевою сіткою:

А* = 28,248·Н-1,7 (4)

В*=2,52715·Н-2,15 (5)

ДР=28,248 Н-0,3·щ0+2,53·Н-1,15· (6)

- сухого шару МТК сформованого у вигляді вермішелі:

А* = 15367,9-118440·Н (7)

В*= 6642-18355·Н (8)

ДР=67,45 (1-2,9Н)Н·щ0+15127(1-7,59·Н)Н· (9)

- для сухого шару пекарських дріжджів, сформованих у вигляді вермішелі:

А* = 1367,18·Н-0,463 (10)

В*=254,564·Н-0,767 (11)

ДР=1367 Н-0,537·щ0+254·Н0,233· (12)

Шар вологої пастоподібної МТК характеризується високою щільністю, оскільки він утворений частинками кристалічної структури голкоподібної форми з розміром, що дорівнює 0,2 мк. За такої будови шару та структури матеріалу процес сушіння пов`язаний із видаленням вологи з його каналів, стінки яких і є поверхнею тепло масообміну.

Дріжджі - живі одноклітинні організми, що характеризуються наявністю в них клітинної (осмотична та адсорбційно утримувана) і позаклітинної вологи, що визначає структурно-механічні властивості матеріалу. Під час сушіння необхідно видалити позаклітинну, осмотичну та частину адсорбційної вологи.

Оскільки фільтраційне сушіння має зональний характер і під час руху теплоносія через матеріал волога переміщається від верхніх шарів до нижніх, то відбуваються зміни в його структурі. Зразок змінює свої розміри як єдина система, в ньому виникає об`ємно-напружений стан, спричинений сіданням поверхневих шарів. Перевищення його граничнодопустимих значень в матеріалі є наслідком появи тріщин. Збільшення пористості шару під час його зневоднення та утворення сітки тріщин є причиною зменшення гідравлічного опору і збільшення швидкості руху теплоносія. Для сприяння впорядкованому утворенню тріщин (з меншими розмірами) та для зменшення перепаду тиску в шарі матеріалу створювали штучну пористість, її вплив на гідравлічний опір та швидкість руху теплоносія через висушуваний шар показано на рис. 3 - 4. За змінних перепаду тиску за сухим матеріалом та температури теплоносія криві ДР = f (ф) та щ0 = а (ф) мають подібний характер.

За змінної висоти шару матеріалу (рис. 5) спостерігається обернена залежність гідравлічного опору шару від його висоти, що пояснюється тим, що в шарі з більшою висотою кількість тріщин є меншою, внаслідок чого різко зростає dекв каналів. Згідно з рівнянням Дарсі-Вейсбаха (1), із збільшенням еквівалентного діаметра пор та каналів гідравлічний опір шару матеріалу зменшується.

У разі сушіння перфорованого шару пекарських дріжджів зменшення гідравлічного опору шару характеризується наявністю двох етапів: 1) збільшення поверхні тепломасообміну за рахунок штучно утворених в шарі каналів; 2) збільшення поверхні тепломасообміну внаслідок тріщиноутворення під дією усадкових явищ.

Гідродинаміка вологого шару пастоподібних матеріалів сформованих у вигляді вермішелі відрізняється тим, що в процесі сушіння зростає і гідравлічний опір шару і швидкість руху теплоносія через нього (рис. 6).

В четвертому розділі “Кінетика сушіння пастоподібних матеріалів методом фільтрації теплоносія через шар матеріалу” наведено результати досліджень кінетики сушіння МТК та пекарських дріжджів. Виконано узагальнення отриманих результатів, проведено аналіз впливу природи матеріалів, параметрів сушіння, геометричних та структурних параметрів шару, а також додаткового підведення тепла на кінетику процесу. Кінетичні криві сушіння МТК зі створеною в шарі штучною пористістю показано на рис. 7. Аналогічний характер мають і інші кінетичні криві сушіння МТК та пекарських дріжджів, вони характеризуються наявністю першого і другого умовного періодів. Визначення критичної вологості, тривалості першого періоду N та коефіцієнта сушіння К здійснено графічно-аналітичним методом, запропонованим А.В. Ликовим.

Для узагальнення першого умовного періоду одержано критеріальні рівняння, що описують процеси тепломасообміну та теплообміну під час сушіння досліджуваних матеріалів, для яких визначено коефіцієнти пропорційності та показники степенів критеріїв подібності:

- для пасти МТК

=9,12·10-7·Re1,14·Pr'0,49·(H/de)-1 13)

=1,5·Re0,71·Pr0,65·(H/de)-1,04 (14)

для “вермішелі” МТК

=5,62·10-7·Re1,1·Pr'0,67·(H/de)-0,89 (15)

=0,006·Re1,26·Pr0,56·(H/de)-0,26 (16)

- для “вермішелі “ пекарських дріжджів

=1,98·10-4·Re1,7·Pr'8,795·(H/de)-0,37 (17)

=5,4·10-10·Re1,67·(H/de)-0,35 (18)

За наведеними рівняннями розраховано коефіцієнти тепло- та масовіддачі, розбіжність між теоретичними та експериментальними значеннями яких не перевищує 28 %.

Крім цього, одержано кінетичні рівняння для прогнозування процесу сушіння досліджуваних матеріалів методом фільтрації теплоносія через шар висушуваного матеріалу в першому умовному періоді за методом, який полягає у використанні системи диференційних рівнянь матеріального балансу в шарі та кінетики сушіння. Розв'язком цієї системи рівнянь є залежність, що описує кінетику сушіння в першому умовному періоді

W/W0=1 - б k·ф·e-a·H (19)

За кутом нахилу прямих до осі визначено коефіцієнти ак, а за відрізками, що прямі відтинають на осі ординат - бк (рис. 8). А також отримано показники степенів та коефіцієнт пропорційності, що входять в рівняння для визначення кінетичних коефіцієнтів бк:

- для пасти МТК:

бк=4,6·10-9·T2,37·ДP0,48 (20)

W=W0·(1-4,6·10-9·T2,37·ДP0,48·ф·e-155,89·H (21)

- для “вермішелі” МТК:

бк=1,5·10-8·T1,392·ДP0,736 (22)

W=W0·(1-1,5·10-8·T1,392·ДP0,736·ф·e-15·H (23)

- для “вермішелі” пекарських дріжджів:

бк=3,4·10-9·T2,647·ДP0,495 (24)

W=W0·(1-3,4·10-9·T2,647·ДP0,495·ф·e-25,25·H (25)

Для кількісного розрахунку кінетики сушіння у другому періоді використовуємо залежності:

(W-Wp)/(Wkp-Wp)= (26)

(W-Wp)/(Wkp-Wp)=, (27)

(34), (37), (40), (43) для визначення вологості матеріалу під час сушіння в другому умовному періоді. Відносний коефіцієнт сушіння ч визначено як тангенс кута нахилу прямої . За залежностями тривалості першого умовного періоду від швидкості сушіння N (29), (32), (35), (38), (41), (44) та рівняннями (26), (27) отримано рівняння для визначення тривалості процесу сушіння для досліджуваних матеріалів:

- для пасти МТК

W2=(Wкр-Wр)·+Wp (28)

(29)

ф = (30)

- для “вермішелі” МТК

W2=(Wкр-Wр)·+Wp (31)

(32)

ф = (33)

- для пасти пекарських дріжджів а) шар матеріалу зі штучною пористістю

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (34)

(35)

(36)

б) шар матеріалу із розміщеною в ньому плоскою металевою сіткою

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (37)

(38)

(39)

в) шар матеріалу з розміщеною в ньому об'ємною металевою сіткою

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (40)

(41)

(42)

- для “вермішелі” пекарських дріжджів

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (43)

(44)

(45)

Отримані рівняння, зокрема: критеріальні рівняння, що описують процес тепломасообміну та теплообміну під час сушіння МТК та пекарських дріжджів методом фільтрації теплоносія через шар матеріалу; рівняння, що описують кінетику першого та другого умовних періодів сушіння; тривалості процесу зневоднення; визначення відносного коефіцієнта сушіння ч, дають змогу прогнозувати процес сушіння пастоподібних матеріалів як в першому періоді, так і в другому для змінних параметрів процесу та геометричних параметрів і структури шару матеріалу.

В п'ятому розділі “Конвективне та конвективно-кондуктивне сушіння пастоподібних матеріалів” наведено результати досліджень кінетики сушіння МТК (рис. 9) та пекарських дріжджів конвективним та конвективно-кондуктивним методами, а також подано результати узагальнення кінетики процесу залежно від параметрів процесу та геометричних параметрів шару пастоподібних матеріалів. Кінетичні криві є подібними і характеризуються наявністю першого та другого періодів.

В результаті узагальнень одержано залежності тривалості першого періоду від швидкості сушіння N; критеріальні рівняння, що описують процес тепломасообміну під час сушіння МТК та пекарських дріжджів конвективним та конвективно-кондуктивним методами; рівняння кінетики, що дає змогу прогнозувати другий період процесу, а також рівняння для розрахунку тривалості сушіння загалом.

1. Конвективне сушіння.

для МТК

(46)

=0,1·10-8·Re0,95·Pr'0,54·(l/H)4,26 (47)

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (48)

ф = (49)

- для пекарських дріжджів

фкр= (50)

=2,29·10-10·Re1,55·Pr'0,88·(l/H)0,33 (51)

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (52)

ф = (53)

2. Конвективно-кондуктивне сушіння:

- для МТК

(54)

=1,48·10-12·Re3,71·Pr'0,16·(l/H)2,55 (55)

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (56)

ф = (57)

- для пекарських дріжджів

(58)

=9,55·10-11·Re1,37·Pr'0,87·(l/H)0,4 (59)

W2=(Wкр-Wр)· +Wp (60)

(61)

Отримані нами рівняння з врахуванням зміни рівноважної вологості від температури та зміни товщини шару матеріалу дають можливість прогнозувати процес конвективного та конвективно-кондуктивного сушіння МТК та пекарських дріжджів, як в першому періоді, так і в другому для досліджуваного діапазону зміни параметрів процесу.

Із результатів досліджень випливає, що фільтраційне сушіння є набагато ефективнішим, ніж конвективне, конвективно-кондуктивне та сушіння у киплячому шарі як з точки зору кінетики, так і енергетичних затрат. Це пояснюється відмінністю механізмів процесу зневоднення. Фільтраційне сушіння має зональний характер, температура теплоносія на виході з шару тривалий час приблизно дорівнює температурі мокрого термометра, що свідчить про високий ступінь використання теплової енергії, а це можливо лише за наявності зонального механізму, коли протягом всього часу теплоносій контактує з вологою поверхнею зони матеріалу, яка переміщається в напрямку руху теплоносія. Інтенсифікації процесу фільтраційного сушіння сприяють: великий градієнт концентрацій вологи, вплив термодифузії, а часткове механічне винесення вологи у вигляді дрібнодисперсної фази потоком теплоносія додатково сприяє зменшенню питомих енергетичних затрат.

В шостому розділі „Вибір параметрів технологічного процесу та розробка принципових схем установок для сушіння пастоподібних матеріалів” наведено розрахунок ефективності сушіння МТК та пекарських дріжджів конвективним, конвективно-кондуктивним та методом фільтрування теплоносія через висушуваний шар. На основі отриманих результатів (енергетичних затрат та якісних характеристик готового продукту) вибрано методи сушіння і технологічні параметри проведення процесу, які забезпечать найменші загальні затрати на сушіння та високу якість готового продукту. Метод фільтрації теплоносія через шар висушуваного матеріалу, з розміщеною в ньому об'ємною металевою сіткою є кращим з досліджуваних методів сушіння для МТК, а для пекарських дріжджів - у вигляді вермішелі. Також в розділі наведено переваги сушіння досліджуваних матеріалів методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар порівняно з іншими досліджуваними методами, та подано методику розрахунку конструктивних параметрів сушильних апаратів для сушіння пастоподібних матеріалів і запропоновано їх принципові схеми, які показано на рис. 10, 11.

Сушарка для зневоднення пастоподібних матеріалів (МТК) у вигляді пасти (рис. 10) працює наступним чином. На перфорованій стрічці горизонтального перфорованого стрічкового транспортеру 2, оснащеній металевою об'ємною сіткою 4 з розвиненою контактною поверхнею, яка охоплює барабан вакуум-фільтру 1 і барабан горизонтального стрічкового транспортеру 3, формується шар пастоподібного матеріалу із суспензії, що міститься у ємності 10 під барабаном вакуум-фільтру 1, який перфорується за допомогою перфоратора 5 і на стрічці транспортеру 2 поступає в зону сушіння, яка розміщена в кожусі 9. Сушильний агент, нагрітий до відповідної температури, через газохід 6 для теплоносія і розподільчий колектор 7 подається в зону сушіння і за допомогою вакуум-насосу 8 профільтровується через шар висушуваного матеріалу, одночасно нагріваючи і металеву панцирну сітку 4. Висушений матеріал з перфорованої стрічки 2 зсипається в бункер 11 для висушеного матеріалу, де через затвор 12 подається на транспортер 13 для висушеного матеріалу.

Установка для сушіння пастоподібних матеріалів (пекарських дріжджів) у вигляді вермішелі (рис. 11) працює так. На перфорованій стрічці барабанного вакуум-фільтра 1, формується шар пастоподібного матеріалу із суспензії, що міститься у ємності 2 і зрізається ножем 3 у філь'єру 4, де формується у вигляді вермішелі, рівномірно розподіляється розподілювачем матеріалу 5 на перфорованій стрічці 6 горизонтального стрічкового транспортеру 7 і поступає в зону сушіння, яка розміщена в кожусі 8. Сушильний агент, нагрітий до відповідної температури, через газохід 9 для теплоносія і розподільчий колектор 10 подається в зону сушіння і за допомогою вакуум-насосу 11 профільтровується через шар висушуваного матеріалу. Висушений матеріал з перфорованої стрічки 6 зсипається в бункер 12 для висушеного матеріалу, де через затвор 13 подається на транспортер 14 для висушеного матеріалу.

Умовні позначення: - перепад тиску, Па; - фіктивна швидкість руху теплоносія через висушуваний шар матеріалу, м/с; - час сушіння у першому періоді, с; та - критерій та дифузійний критерії Нусельта; Re - критерій подібності Рейнольдса; та - критерій та дифузійний критерії Прандтля; Gu - критерій Гухмана; S та Sотв площа поперечного перерізу поверхні матеріалу та утвореної у ньому штучної пористості, м2; N - швидкість сушіння у першому періоді, %/с; К - коефіцієнт сушіння, с-1; - відносний коефіцієнт сушіння, с-1; - довжина шару матеріалу, м; Н - висота шару матеріалу, м; d - діаметр “вермішелі”, м; е - еквівалентний діаметр каналів у шарі матеріалу, м; W - потокова вологість матеріалу, %; Wкр - приведена критична вологість, %; Wр - рівноважна вологість, %; ф - потоковий час сушіння, с.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі експериментальних досліджень встановлено вплив природи пастоподібних матеріалів неорганічного та органічного походження (МТК та пекарських дріжджів), структури шару та додаткового підведення тепла на механізм їх сушіння методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар, а також конвективним та конвективно-кондуктивним методами.

2. Вперше вивчена гідродинаміка та кінетика сушіння МТК та пекарських дріжджів методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар в напрямку поверхня матеріалу > пориста перегородка: за наявності в шарі штучної пористості; додаткового підведення тепла; формування матеріалів у вигляді вермішелі.

3. В результаті вивчення гідродинаміки сухих шарів одержано гідродинамічні коефіцієнти А* і В*, які враховують вплив в'язкісних та інерційних сил на величину гідравлічного опору. Вперше встановлено їх залежність від висоти шару матеріалу. Для шару МТК з розміщеною в ньому об`ємною сіткою: A*=28,248·H-1,7, B*=2,52517·H-2,15. Для шару пекарських дріжджів, сформованих у вигляді вермішелі: A*=1367,18·H-0,463, B*=254,564·H-0,767. Одержано розрахункові залежності для визначення величини гідравлічного опору сухих шарів досліджуваних матеріалів, які дають змогу прогнозувати кінетику сушіння та енергетичні затрати на процес.

4. В результаті досліджень кінетики сушіння методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар МТК та пекарських дріжджів встановлено вплив параметрів процесу, геометричних параметрів та структури шару на тривалість процесу. Розраховано коефіцієнти пропорційності та показники степенів для критеріальних рівнянь, що описують процеси тепло- та масообміну під час сушіння досліджуваних матеріалів. Визначено коефіцієнти пропорційності і показники степенів для розрахунку кінетичних коефіцієнтів бк. Розраховано кінетичні коефіцієнти ак та бк для кінетичних рівнянь, що прогнозують процес сушіння у першому умовному періоді: для пасти МТК із штучною пористістю бк=4,6·10-9·T2,37·ДP0,48, ак = 155,89; для МТК у вигляді вермішелі бк=1,5·10-8·T1,392·ДP0,736, ак = 15; для дріжджів у вигляді вермішелі бк=3,4·10-9·T2,647·ДP0,495, ак = 25,25. Встановлено залежність кінетичних коефіцієнтів від структури шару висушуваного матеріалу. Розраховано значення відносних коефіцієнтів сушіння ч і встановлено їхню залежність від природи матеріалу, способу сушіння та структури шару: для пасти МТК ч = 0,0147 1/%; МТК у вигляді вермішелі ч = 0,0363 1/%; для пекарських дріжджів у вигляді пасти: ч = 0,002 1/c, у вигляді вермішелі ч = 0,0582 1/с.

5. В результаті досліджень кінетики сушіння пастоподібних матеріалів конвективним та конвективно-кондуктивним методами отримано критеріальні залежності, що описують процеси тепломасообміну під час сушіння досліджуваних матеріалів, розраховано показники степенів та коефіцієнти пропорційності для цих рівнянь. Розраховано коефіцієнти для математичних моделей, що описують кінетику другого періоду сушіння та тривалості сушіння.

6. Аналіз існуючих методів сушіння пастоподібних матеріалів в нерухомому шарі показав, що для МТК ефективнішим є зневоднення шляхом фільтрування теплоносія через висушуваний шар (сформований під час фільтрування) в напрямку поверхня матеріалу > перфорована перегородка з додатковим підведенням тепла від об`ємної металевої сітки розміщеної в шарі. Для пекарських дріжджів кращі гідродинамічні та кінетичні показники зафіксовано у разі їх сушіння в щільному шарі, коли матеріал сформований у вигляді вермішелі.

7. За матеріалами дисертаційної роботи отримано 4 деклараційні патенти на винаходи України, створено методику розрахунку сушарок для реалізації цих способів сушіння. Матеріали досліджень передано на ЗАТ “Кримський титан” м. Армянськ та ЗАТ “Ензим” м. Львів.

8. Встановлено, що запропоновані методи сушіння досліджуваних матеріалів дають можливість зменшити питомі енергетичні витрати порівняно з конвективним методом: для МТК - в 13,96 раза, пекарських дріжджів - в 31,3 раза; порівняно з конвективно-кондуктивним - в 7,9 раза для МТК і в 17,42 раза для пекарських дріжджів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНИЙ У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Ханик Я.М., Станіславчук О.В. Проблеми сушіння термолабільних пастоподібних матеріалів. //Вісник Національного університету “Львівська політехніка” “Хімія, технологія речовин та їх застосування”. -Львів. -2000. -№414. -С.172-175. - дисертантом висвітлено недоліки використання існуючих методів сушіння, наведено результати досліджень кінетики сушіння суцільного та перфорованого шару пекарських дріжджів конвективно-кондуктивним та конвективним методами.

2. Сушіння пастоподібних термолабільних матеріалів / Я.М. Ханик, О.В. Станіславчук, Л.З. Білецька, В.П. Дулеба // Науковий вісник ЛДЛУ: Збірник наукових праць. -Львів. - 2001 -Вип. 11.2. -С. 98-101. - дисертантом сформульовано постановку проблеми сушіння пастоподібних матеріалів, наведено результати дослідження кінетики сушіння досліджуваного матеріалу конвективним методом у суцільному шарі із зміною технологічних параметрів(температури і швидкості теплоносія) та висоти шару.

3. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Білецька Л.З., Дулеба В.П. Сушіння біологічно-активних пастоподібних матеріалів. //Науковий вісник УДЛТУ: Збірник наукових праць. -Львів. -2002. Вип. 12.5. -С.126 - 129. - сформульовано постановку проблеми сушіння пастоподібних матеріалів у вигляді суспензії методом фільтрації теплоносія через шар висушуваного матеріалу. Проведено порівняння гідродинаміки і кінетики сушіння досліджуваного матеріалу у разі створення в його шарі штучної пористості та розміщення у ньому металевої сітки.

4. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Дулеба В.П. Сушіння пастоподібних матеріалів у щільному шарі. //Науковий вісник УДЛТУ: Збірник наукових праць. -Львів.- 2003. Вип. 13.1. -С.147 - 150. - дисертантом проведено дослідження гідродинаміки та кінетики сушіння пекарських дріжджів фільтраційним методом у щільному шарі, досліджено вплив на кінетику сушіння температури теплоносія та діаметра частин матеріалу, сформованого у вигляді вермішелі.

5. Ханик Я.М., Станіславчук О.В. Нові технологічні процеси - шлях до енергозбереження і захисту довкілля. //Вісник Національного університету “Львівська політехніка” “Хімія, технологія речовин та їх застосування”. -Львів. -2004. -№516. -С.89-93. - наведено результати узагальнення кінетики конвективного сушіння пекарських дріжджів за графоаналітичним методом А.В.Ликова.

6. Станіславчук О.В., Ханик Я.М. Термолабільні матеріали. Кінетика конвективного сушіння. // Хімічна промисловість України. -К.:-2005. -№2 (67). - С.36-38. - дисертантом наведено розрахунок кінетики конвективного сушіння термолабільного матеріалу, як у першому, так і у другому періодах, у широкому діапазоні зміни параметрів процесу.

7. Ханик Я.М., Дулеба В.П., Станіславчук О.В. Кінетика конвективно-кондуктивного сушіння пастоподібних біологічно-активних матеріалів. //Науковий вісник НЛТУ: Збірник наукових праць. -Львів. - 2005. Вип. 15.5. -С.151 - 155. - за участю дисертанта здійснено розрахунок кінетики конвективно-кондуктивного сушіння пекарських дріжджів.

8. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Дулеба В.П. Сушіння метатитанової кислоти (МТК) у виробництві пігментного двоокису титану. //Наукові праці. ОНАХТ. -Одеса. -2006. -Вип. 28, Т. 2. -С. 37-38. - обґрунтовано необхідність включення стадії сушіння метатитанової кислоти в технологічну схему виробництва пігментного двоокису титану. Наведено результати досліджень гідродинаміки і кінетики сушіння МТК у щільному шарі за різної її структурної модифікації та одержані залежності для прогнозування гідродинаміки і кінетики процесу.

9. Ханик Я.М., Саніславчук О.В., Дулeба В.П. Кінетика конвективного та конвективно-кондуктивного сушіння метатитанової кислоти (МТК). //Науковий вісник НЛТУ: Збірник наукових праць -Львів. -2006. Вип. 16.5. -С.107 - 114. - наведено результати розрахунків кінетики конвективного та конвективно-кондуктивного сушіння МТК.

10. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Дулеба В.П. Кінетика сушіння метатитанової кислоти (МТК) у нерухомому шарі. //Науковий вісник НЛТУ: Збірник наукових праць. -Львів. -2007. Вип. 16.7 - С.132 - 139 - дисертантом наведено результати розрахунків кінетики сушіння пасти та вермішелі МТК методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар.

11. Ханик Я.М., Станіславчук О.В. Гідродинаміка під час руху теплоносія через шар сухих пастоподібних матеріалів. // Хімічна промисловість України. -К.: -2007. -№2 (67). -С.36-38. - дисертантом наведено результати розрахунків гідродинаміки сухого шару метатитанової кислоти та пекарських дріжджів.

12. Ханик Я.М., Станіславчук О.В. Особливості гідродинаміки шару вологої метатитанової кислоти (МТК) / Науковий вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. -Вип. 1/2007, (42) Ч.І. -Кременчук. -2007. -С. 149-152. - наведено результати дослідження гідродинаміки шару вологого пастоподібного матеріалу.

13. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Дулеба В.П. Гідродинаміка під час руху теплоносія через шар сухих пастоподібних матеріалів /Хімічна промисловість України. -К.:-2007. -№6. -С.21-23. - дисертантом наведено результати узагальнення гідродинаміки сухого шару МТК та пекарських дріжджів як у вигляді пасти, так і у вигляді вермішелі.

14. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Дулеба В.П. Кінетика конвективно-кондуктивного сушіння пастоподібних термолабільних матеріалів. / Промислова гідравліка і пневматика. - Вінниця. -2007. -№1(15)`2007. -С. 44-46. - наведено результати узагальнення кінетики сушіння досліджуваних матеріалів конвективним та конвективно-кондуктивним методами.

15. Сушарка пастоподібних матеріалів. Деклараційний патент на винахід № 59783 А Україна, МПК F26B17/00, F26B17/02 / Я.М.Ханик, О.В.Станіславчук, Л.З.Білецька, В.П.Дулеба -№ 20021210184; Заявлено 17.12.2002; Опубліковано 15.09.2003; Бюл. №9 (ІІ), -С. 4.164. - за участю дисертанта розроблено принципову схему сушарки для сушіння пастоподібних матеріалів (МТК).

16. Сушарка для пастоподібних термолабільних матеріалів. Патент на корисну модель № 17234 Україна, МПК F26B 17/00, F26B 17/02 / Я.М.Ханик, О.В.Станіславчук, В.П.Дулеба. - № u 200603260; Заявлено 27.03.2006; Опубліковано 15.09.2006; Бюл. №9. - за участю дисертанта запропоновано конструкцію сушарки для пастоподібних матеріалів (пекарських дріжджів).

17. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Білецька Л.З. Енергозбереження і технологічні особливості сушіння біологічно-активних продуктів // Тези доповідей IV міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми економії енергії”. -Львів. -2003. -С. 265. - наведено результати досліджень кінетики конвективного та конвективно-кондуктивного сушіння пекарських дріжджів.

18. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Дулеба В.П. Енергозбереження і технологічні особливості сушіння біологічно-активних продуктів // Тези доповідей VIII Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми управління якістю підготовки фахівців - екологів у світлі інтеграції освіти України в європейський простір та перспективні природоохоронні технології”. -Львів. -2003. -С.68. - наведено результати досліджень гідродинаміки та кінетики сушіння пастоподібних матеріалів методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар.

19. Ханик Я.М., Станіславчук О.В., Дулеба В.П. Особливості тепло масообміну при сушінні пастоподібних матеріалів. //Тези доповідей ІІІ науково-технічної конференції “Поступ в нафтогазопереробній і нафтохімічній промисловості”. -Львів. 2004. -С. 260. - наведено особливості, які властиві пастоподібним матеріалам, і які проявляються під час сушіння.

АНОТАЦІЇ

Станіславчук Оксана Володимирівна. Сушіння пастоподібних матеріалів у нерухомому шарі. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології. Національний університет „Львівська політехніка”, Львів - 2007.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесу сушіння МТК та пекарських дріжджів методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар матеріалу: за наявності штучної пористості; додаткового підведення тепла; формування матеріалу у вигляді вермішелі, а також конвективним та конвективно-кондуктивним методами. В роботі подано методику проведення експериментальних досліджень гідродинаміки та кінетики сушіння цих матеріалів, схеми експериментальних установок, представлено отримані результати досліджень та розрахункові залежності для прогнозування гідродинаміки і кінетики сушіння у першому та другому періодах сушіння. Наведено розрахунок ефективності сушіння методом фільтрації теплоносія через висушуваний шар, а також конвективним та конвективно-кондуктивним методами.·

На основі отриманих результатів (енергетичних затрат та якісних характеристик готового продукту) вибрано методи сушіння і технологічні параметри проведення процесу, які забезпечують найменші загальні затрати на процес зневоднення досліджуваних матеріалів та високу якість готового продукту. Наведено переваги сушіння МТК та пекарських дріжджів методом фільтрації теплоносія через шар матеріалу порівняно з іншими дослідженими методами, подано методику розрахунку конструктивних параметрів сушильних апаратів і їхні схеми.

Ключові слова: МТК, пекарські дріжджі, гідродинаміка, кінетика, метод фільтрації теплоносія.

Станиславчук Оксана Владимировна. Сушка пастообразных материаов в стационарном слое. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - процессы и оборудование химической технологии. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов - 2007.

Диссертационная работа посвящена изучению процесса сушки в стационарном слое пастообразных материалов на примере метатитановой кислоты (МТК) и пекарских дрожжей методом фильтрации теплоносителя через высушиваемый слой, а также конвективным и конвективно-кондуктивным способами.

Поскольку в Украине обострилась энергетическая проблема, и дефицит энергоресурсов отрицательно влияет на развитие множества отраслей народного хозяйства, решение вопроса об изысканиях и внедрении энергосберегающих технологий принимает первостепенное значение.

Существующие процессы сушки пастообразных материалов являются длительными, энергетически затратными, экологически небезопасными и малопродуктивными. С целью их интенсификации, снижения энергетических затрат, избегания выноса мелких фракций в окружающую среду проведены исследования гидродинамики и кинетики сушки МТК и пекарских дрожжей: методом фильтрации теплоносителя через высушиваемый слой: при наличии в нем искусственной пористости; подведения дополнительного тепла; формирования материала в форме вермишели. Для сравнения кинетических показателей обезвоживания в стационарном слое проведены исследования кинетики конвективной и конвективно-кондуктивной сушки.

В работе исследована гидродинамика движения теплоносителя через сухие пастообразные материалы. В результате обобщения экспериментальных данных получены гидродинамические коэффициенты А* и В*, которые входят в уравнения для расчета гидравлического сопротивления. Установлена их зависимость от толщины слоя материала, что позволяет прогнозировать кинетику процесса с учетом энергетических затрат. Также исследована гидродинамика влажных слоев МТК и пекарских дрожжей, установлено влияние природы материала и структуры слоя, а также наличия в нем перфорации и дополнительного подвода тепла на характер изменения гидродинамического сопротивления слоя и скорости движения теплоносителя через него.

В работе приводятся результаты исследований кинетики сушки пастообразных материалов исследуемыми методами и их обобщение. Рассчитаны коэффициенты пропорциональности и показатели степеней для критериальных уравнений, которые описывают процессы тепло- и массообмена, получены кинетические коэффициенты ак и бк для уравнений, описывающих кинетику в первом условном периоде. А также определены скорость сушки N, коэффициент сушки К и относительный коэффициент сушки ч для всех исследуемых случаев. Установлено, что ч зависит от способа сушки, структуры слоя и способа подведения в него тепла. В результате обобщения экспериментальных данных получены кинетические коэффициенты для прогнозирования процесса сушки конвективным и конвективно-кондуктивным методами при допустимых технологических параметрах ведения процесса, что дает возможность прогнозировать кинетику процесса, а также энергетические затраты на его проведение.

На основе анализа и сравнения энергетических затрат и качественных показателей готового продукта установлено что для МТК наилучшие показатели имеет сушка методом фильтрации теплоносителя через слой материала с размещенной в нем объемной металлической сеткой. Для пекарских дрожжей - сушка методом фильтрации теплоносителя через слой материала в виде вермишели. Для осуществления процесса обезвоживания исследуемых материалов выбранными методами предложены схемы сушильных установок и дана методика расчета их конструктивных размеров.

Ключевые слова: МТК, пекарские дрожжи, плотный слой, объемная сетка, технологические параметры.

Stanislavchuk O.V. Drying of paste-like biologically active material in а leaklesslayer. Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.17.08 - processes and equipment of chemical technology. Lviv Polytechnic National University, Lviv - 2006.

Dissertation work is devoted to the study of process of drying in the leak-less layer of paste-like biologically active material on the example of baker's yeasts by convective, convective-conductive, by filtration and filtration-contact methods. In detail kinetics of drying of this material is studied by the explored methods.

As in Ukraine а power problem was intensified, and the deficit of energy a supply negatively affects development of great number of industries of national есоnоmу, the decision of question about researches and introduction of energy-saving technologies takes on а primary value.

From the remoteness of yeast factories from bakeries and by reason of rapid spoilage of the pressed baker's yeasts, they are dried out. For making of а 1 ton of the dried product by humidity 7-8% from the pressed material it is necessary to delete to 720 the kg of water and far anymore, if yeast suspension is initial material (yeast milk).

The existent processes of drying are protracted, power expenditure, ecologically unsafe and under productive. With the purpose of intensification of process of drying of the explored material, declines of power expenditures, bearing-out of shallow fractions in surrounding an environment in work the researches of convective are conducted, convective-conductive, filtration and filtration-contact methods of drying with their detailed research and determination of most suitable for the decision of the put tasks.

Keywords: baker's yeasts, leak-less layer, by а volume net, technological parameters, filtration contact method.

Размещено на Allbest.ru