Теплофізичні основи створення нових технологій та удосконалення техніки збезводнювання рідинних матеріалів у диспергованому стані

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

УДК 66.047: 66.021.2: 66.012.32

дисертації на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук

АВТОРЕФЕРАТ

ТЕПЛОФІЗИЧНІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ НОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНІКИ ЗБЕЗВОДНЮВАННЯ РІДИННИХ МАТЕРІАЛІВ У ДИСПЕРГОВАНОМУ СТАНІ

МАЛЕЦЬКА КІРА ДМИТРІВНА

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м.Київ

Науковий консультант:

академік, доктор технічних наук, професор, двічі лауреат Державної премії України Долінський Анатолій Андрійович директор Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гришин Михайло Олександрович, Одеська національна академія харчових технологій, кафедра технології молока та сушіння харчових продуктів;

доктор технічних наук, професор Мальований Мирослав Степанович, Національний університет ”Львівська політехніка”, завідуючий кафедрою хімічної інженерії та промислової екології;

доктор технічних наук Шеліманов Віталій Олександрович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник відділу конвективних тепломасообмінних пристроїв.

Провідна організація: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м.Київ

Захист відбудеться “_25__”_грудня____2003 р. в_14_годин на засіданні спеціалізованої вченої ради при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України за адресою: 03057, Київ, вул.Желябова, 2

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою:

03057, Київ-57, вул.Желябова,2

Автореферат розісланий “_24_”__листопада 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради докт.техн.наук Ю.О.Шурчкова/

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Значні масштаби і обєми виробництва цілого ряду продуктів у порошковидній формі в різних галузях промисловості - харчовій, хімічній, мікробіологічній, хіміко-фармацевтичній та інших визначили широке застосування розпилюючої сушильної техніки. Різногалузеве використання таких апаратів обумовлено перш за все тим, що за рахунок досить розвинутої поверхні дисперсних матеріалів, що зневоднюються, та відповідної організації їх контакту з нагрітою газовою (або парогазовою) фазою, здійснюється інтенсивний тепловологопереніс. Окрім того, розпилюючі сушильні установки мають, порівняно з іншими, такі переваги як стабільність і простота здійснення процесів диспергування і сушіння одноразово в одному апараті, одержання продукту практично з повною розчинністю та збереження у ньому цінних складових, в тому числі і термочутливих. Однак, в багатьох випадках, специфічні особливості процесу сушіння ряду конкретних продуктів призводять до суттєвих ускладнень при відпрацюванні в промислових умовах оптимальних режимних параметрів роботи установок, невідповідності розрахункової і дійсної продуктивності, що в багатьох випадках обумовлено недооцінюванням особливостями протікання процесів тепломасопереносу в одиничній краплі (часточці), відсутністю даних з кінетичних та адгезійних характеристик продуктів, що висушуються.

Вивчення змінювання температури і вологовміщення в окремій часточці у визначені моменти часу при відповідних режимних параметрах є особливо важливим, в першу чергу, з точки зору прогнозування якості матеріалу, що зневоднюється, а також з позицій оцінки тепловитрат в залежності від ступеня впливу внутрішніх процесів тепловологопереносу.

Вченими в Україні, в країнах близького (країни СНД) і далекого зарубіжжя проводилися дослідження та аналіз процесів взаємодії газорідинних потоків, тепловологопереносу в системах з диспергованою рідкою і твердою фазами, з математичного моделювання складних взаємоповязаних процесів в камерах розпилюючих апаратів, а також вивчення кінетики випаровування і сушіння крапель розчинів, що містять нелетючі компоненти. Однак, дослідження кінетики процесу якого-небудь конкретного продукту проводилися на різних експериментальних установках і тому становили в основному інтерес для підтвердження суттєвої різниці теплофізичних особливостей процесів зневоднення одиничних крапель чистих рідин від процесів випаровування та сушіння крапель різних розчинів. Недостатнє вивчення кінетичних закономірностей процесу тепловологопереносу при висушуванні одиничних крапель (часточок) стримувало вирішення важливих задач, спрямованих на удосконалення техніки і технології сушіння розпилюванням.

На основі вищесказаного, актуальними постають дослідження з вивчення процесів тепловологопереносу в системі “крапля (частка) - парогазове середовище” стосовно до умов сушіння розпилюванням для класу продуктів особливо термочутливих, термопластичних матеріалів, які проявляють адгезійні властивості, підвищену гігроскопічність та інше, тобто, матеріалів, що трудно підлягають процесу висушування, але одержання яких в порошковидній формі є важливим і необхідним. Комплексність дослідження процесу повинна включати вивчення теплотехнологічних аспектів сушіння того чи іншого матеріалу відповідно з виявленими кінетичними закономірностями, що становить наукову основу для удосконалення техніки та технології зневоднювання в диспергованому стані.

Звязок з постановами, програмами, планами, темами. Науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи виконувалися в рамках тематики ІТТФ НАН України згідно Постанов Президії Національної академії наук; Постанов ДКНТ при РМ СРСР № 221 (05.04.1989); № 245 (30.06.85, тема 3.01.001 СЄВ-И, 1986-1990 р.); науково-технічних програм з Державним дослідницьким інститутом машинобудування (Прага, Чехія, 1982-1988 рр); комплексного плану науково-технічного співробітництва АН УРСР з Мінхіммашем СРСР на 1986-1990 рр. № 58/102; згідно теми Мінмедбіопрому СРСР на 1984-1990 рр.; проекту 04.06/01 1996 з Міністерством України у справах науки і технологій; відомчих і пошукових тем НАН України, госпдоговірних і науково-технічних договорів із співдружності з вузами, галузевими інститутами, підприємствами України і країн СНД (колишнього Союзу).

Мета роботи - створити комплексну методологію експериментального дослідження процесу зневоднювання рідинних матеріалів у диспергованому стані, яка включає вивчення теплофізичних основ на системі “крапля (частка) - нагріте повітря”, як елементній системі у складній аеродинамічній обстановці розпилюючих камер; визначення ступеня впливу внутрішнього тепловологопереносу на інтесивність процесів концентрування і сушіння, особливостей цих процесів в камерах розпилюючих установок; спільний розгляд вищеозначеного дає можливість визначати науково-обгрунтований вибір раціональних теплотехнологічних параметрів, методів управління процесами та розробку нових енергозберігаючих технологій і високоефективних апаратів з урахуванням кінетичних закономірностей та структурно-механічних характеристик порошковидних продуктів, що одержуються методом розпилювання.

Для реалізації цієї мети поставлені наступні задачі:

- створити спеціальні експериментальні стенди для проведення досліджень випаровування і сушіння одиничних крапель та розробити методики цих досліджень;

- провести експериментальні дослідження для різних розчинів, суспензій, дисперсій;

- визначити основні кінетичні і тепломасообмінні характеристики, які виявляють вплив внутрішніх процесів переносу;

- провести аналіз і узагальнення кінетичних закономірностей зневоднювання;

- провести дослідження теплотехнологічних особливостей процесу розпилюючого зневоднювання та аналіз дисперсійних, адгезійних, гігроскопічних характеристик різних порошковидних матеріалів;

- розробити нові технології для продуктів, що мають специфічні характеристики: підвищену гігроскопічність, термопластичність, термочутливість, низьку насипну густину порошків;

- розробити нові ефективні установки для концентрування і висушування рідинних матеріалів у диспергованому стані;

- провести дослідно-промислові дослідження нових технологій і установок.

Обєктами дослідження являлися процеси тепловологопереносу при випаровуванні і висушуванні матеріалів - обєктів зневоднення в диспергованому стані та апаратурно-технологічні розробки нового тепломасообмінного обладнання для концентрування і сушіння розпилюванням.

Предмет дослідження - одинична крапля різних рідинних матеріалів: розчинів, суспензій, дисперсій; концентрати і порошкоподібні матеріали, що одержуються на установках розпилюючого типу; лабораторні, дослідно-промислові установки для концентрування і сушіння рідинних матеріалів у диспергованому стані.

Методи проведення досліджень. В основу проведення досліджень процесу зневоднювання в диспергованому стані покладена комплексна схема, яка включає вивчення теплофізичних основ випаровування і сушіння одиничної краплі (частки), як елементної системи, що розглядається стосовно до умов розпилюючих камер, і дослідження на лабораторних, дослідних і дослідно-промислових установках, призначених для здійснення процесів концентрування і сушіння методом розпилювання.

При виконанні роботи застосовувалися наступні методи досліджень: експериментальні методи дослідження кінетичних закономірностей зневоднювання на системі “крапля (частка) - парогазове середовище” на спеціально створених стендах із застосуванням сучасних теплотехнічних і оптичних засобів вимірювання, методи математичного моделювання цих систем; експериментальні методи дослідження процесів концентрування і сушіння різноманітних продуктів; експериментальні дослідження дисперсійних, структурно-механічних, адгезійних, гігроскопічних характеристик порошкоподібних матеріалів, що одержуються методом розпилювання.

Наукова новина одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розвинуті нові методологічні положення експериментального дослідження процесів тепловологопереносу в елементній системі “крапля (частка) - парогазове середовище” при відповідних температурно-вологістних характеристиках парогазового середовища, адекватних умовам в реальних розпилюючих апаратах.

2. Вперше створені оригінальні стенди, розроблена методика проведення досліджень і обробки одержаної первинної інформації у вигляді кінетичних характеристик tк(), mк(), к(). Розроблена методика обрахування основних кінетичних і тепломасообмінних характеристик, необхідних для ідентифікації продукту, як обєкту сушіння в диспергованому стані, урахування їх у методиках розрахунку розпилюючих сушильних апаратів та при аналізі їх роботи.

3. Вперше одержана нова інформація про кінетичні характеристики великої кількості різноманітних розчинів, дисперсій, суспензій і паст, які суттєво відрізняються початковими теплофізичними і реологічними властивостями, що являє науковий інтерес для подальшого удосконалення технології розпилюючого сушіння і розпилюючого концентрування різних продуктів.

Представлена класифікація матеріалів, як обєктів сушіння розпилюванням, в основу якої покладена оцінка ступеня впливу внутрішнього тепловологопереносу на загальну інтенсивність і тривалість процесу зневоднювання, на структурно-механічні характеристики окремих висушених часточок.

4. Розроблена стратегія і показана значимість комплексного аналізу процеса розпилюючого зневоднювання, що включає дослідження кінетичних закономірностей випаровування і сушіння одиничної краплі, дослідження впливу теплотехнологічних параметрів на інтенсивність процесу і структурно-механічні характеристики одержаних порошковидних матеріалів, вивчення гігроскопічних, дисперсійних, структурно-механічних характеристик цих порошків впродовж тривалого збереження. Запропонований комплексний підхід до вивчення особливостей процесу зневоднювання рідинних матеріалів є науковою основою при розробці нових методів інтенсифікації тепловологопереносу в розпилюючих установках, при оптимізації теплотехнологічних параметрів, при розробці раціональних методів управління структурно-механічними характеристиками порошкоподібних продуктів.

5. Представлена концепція урахування кінетичних закономірностей процесу зневоднювання рідинних матеріалів у диспергованому стані в методиках розрахунку тепломасообміну в розпилюючих камерах у відповідності із запропонованою класифікацією їх, як обєктів сушіння методом розпилювання. Розроблені математичні моделі для визначених фізичних моделей процесу зневоднювання одиничної краплі.

6. Обгрунтовані принципи створення та удосконалення нових апаратів для розпилюючого зневоднювання важких для висушування матеріалів на основі експериментально одержаних кінетичних закономірностей і структурно-механічних характеристик, що є основою для одержання високоякісної продукції і створення енергозберігаючих технологічних схем.

7. Показана значимість комплексного аналізу процеса розпилюючого зневоднювання при розробці нових технологій і одержанні нових матеріалів методом сушіння в диспергованому стані з одночасним вирішенням екологічних задач.

Наукові положення, що виносяться на захист:

- розвинуті фундаментальні основи теплофізичних особливостей процесів, що мають місце при термічному зневоднюванні рідинних матеріалів у диспергованому стані в високотемпературному парогазовому середовищі, які базуються на масиві експериментальних даних, одержаних на спеціальних лабораторних стендах для термогравіметричного аналізу;

- експериментальні дослідження, що здійснюються на системі “крапля (частка) - парогазове середовище”, дають можливість розкрити механізм тепловологопереносу і встановити взаємозвязок між зовнішніми умовами і внутрішніми процесами тепловологопереносу, що являється основою розробки нових методів удосконалення і оптимізації теплотехнологічних параметрів, управління кінетикою і структурно-механічними характеристиками порошковидних продуктів;

- ступінь впливу внутрішніх процесів тепловологопереносу в одиничній краплі (часточці) при зневоднюванні в високотемпературному парогазовому середовищі є основним аргументом при розгляді класифікації розчинів, суспензій, дисперсій, як обєктів сушіння методом розпилювання;

- класифікаційна ознака за ступенем впливу внутрішніх процесів тепловологопереносу при випаровуванні і висушуванні одиночної краплі є основою при розгляданні відповідної фізичної моделі і математичному моделюванні;

- концепція комплексного аналізу: ступінь впливу внутрішніх процесів тепловологопереносу при зневоднюванні одиничних крапель (часток) у потоці високотемпературного теплоносія разом з дисперсійними, структурно-механічними, адгезійними і сорбційними характеристиками порошковидних матеріалів, одержаних при відповідних зовнішніх параметрах парогазового середовища у камері, визначають шляхи конструктивного удосконалення апаратів розпилюючого типу, розробку методів інтенсифікації, енерго- (ресурсо) збереження і створення ефективних установок для концентрування і сушіння в диспергованому стані рідинних матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Наукові результати, що одержані на основі експериментального дослідження процесів тепловологопереносу в елементній системі “крапля (частка) - парогазове середовище”, стали основою для побудови фізичних моделей, а потім і для розробки математичних моделей нестаціонарного тепловологопереносу при зневоднюванні крапель (часток) у високотемпературному парогазовому середовищі.

2. Нові експериментальні дані про кінетичні закономірності зневоднювання одиничних крапель (часток), дисперсійні і структурно-механічні характеристики порошкоподібних матеріалів використані в ІТТФ НАН України в методиках розрахунків розроблених установок, а також при складанні “Технічних завдань”, принципових схем та при вирішенні конструктивних особливостей відповідальних вузлів розпилюючих установок для концентрування і сушіння розпилюванням.

3. Визначені раціональні теплотехнологічні режимні параметри розпилюючого зневоднювання для цілого ряду різних рідинних матеріалів харчової, мікробіологічної, хіміко-фармацевтичної, хімічної галузей промисловості.

4. Комплексне вивчення процесу розпилюючого зневоднювання стало науковою основою при розробці таких нових технологій і обладнання:

- нова модифікація випарювально-сушильного агрегату АИС-200 для виробництва медпрепаратів у стерильних умовах;

- технологія і апаратурно-технологічна схема для виробництва порошків біологічно активних кормових добавок (біоміцину);

- технологія і випарювально-сушильний агрегат АРСЧ для виробництва розчинного чаю;

- технологія і випарювально-сушильний агрегат АИС-200 для одержання порошків біологічно активних продуктів на основі автолізу харчових дріжджів;

- технологія і розпилюючий концентратор РКС для виробництва розчинної кави і кавових напоїв;

- технологія і розпилююча сушарка для одержання порошковидних синтетичних смол, що застосовуються в автомобільній, будівельній, хімічній, добувній галузях промисловості;

- технологія і розпилююча сушарка для одержання сипкої форми холінхлоріду, “Вихідні дані для проектування промислового виробництва сипкої форми холінхлоріду потужністю 9000 т/рік”;

- технологія і розпилююча сушарка для одержання порошковидної кальцієвої солі -аланіну;

- технологія і апаратурно-технологічна схема для виробництва порошків фруктово-молочних композицій;

- розпилююча сушарка РЦ-2,5 для виробництва порошків фітонапоїв;

- технологія одержання порошків солодових екстрактів;

- розпилююча сушарка СУМ-1,5.

Особистий внесок автора. Особисто автору належить розвиток концепції комплексного дослідження процесів тепловоголопереносу при зневоднюванні рідинних матеріалів у диспергованому стані в нагрітому парогазовому середовищі; подальший розвиток методологічних принципів дослідження теплофізичних особливостей при випаровуванні і висушуванні одиничних крапель у різних умовах взаємодії зневоднювальної краплі і парогазового середовища. Автором обгрунтован науковий підхід при удосконаленні і створенні нових ефективних апаратів і технологій на основі урахування визначених кінетичних закономірностей, адгезійних характеристик, структурно-механічних властивостей порошковидних матеріалів. В роботі узагальнені результати теплофізичних досліджень, що проводилися як самим автором, так і при безпосередній його участі: розробка експериментальних стендів, участь у виготовленні і монтажі їх, проведення вимірювань і обробка одержаних первинних кривих, аналіз їх і виявлення кінетичних закономірностей і особливостей механізму процесу зневоднювання з обґрунтуванням методів інтенсифікації та визначення раціональних теплотехнологічних параметрів. Автор приймав участь в розробці програм і методик проведення дослідних робіт на лабораторних і дослідно-промислових розпилюючих установках; в розробці вихідних даних, принципових технологічних схем розпилюючих установок для концентрування і сушіння з урахуванням характерних кінетичних закономірностей зневоднювання одиничних крапель; у підготовці “Технічних завдань” на проектування, в підготовці і затвердженні текстової документації на розроблені установки; участь в організації виготовлення комплексу обладнання, у впровадженні, промисловій апробації, авторському супроводженні при експлуатації; проведення маркетингових заходів з метою поширення реалізації нового розпилюючого обладнання.

Результати експериментальних досліджень, їх узагальнення, розробки по створенню нових технологій і обладнання, що опубліковані у співавторстві з колегами і використані в дисертації, належать автору на рівноправній партнерській основі.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на Республіканських, Всесоюзних конференціях з проблем розвитку теорії сушіння, динаміки дисперсних систем, удосконалення техніки і технології сушіння в різних галузях промисловості на протязі 1974-2000 рр., в тому числі: Міжнародний Мінський форум “Тепломассообмен” (Мінськ, Республіка Білорусь, 1988, 1992, 2000); Республіканська науково-технічна конференція “Интенсификация технологий и совершенствование оборудования перерабатывающих отраслей” (Киев,Украина, 1989); 2-га Всесоюзна конференція “Процессы и аппараты для микробиологических производств” (Грозный, 1989); Всесоюзна науково-технічна конференція “Состояние и перспективы создания новых готовых лекарственных средств и фитопрепаратов” (Харьков, 1990); IХ Міжнародна конференція “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (Одеса, Україна, 1996); Міжнародна науково-технічна конференція “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (Київ, Україна, 1997); ХIХ конференція країн СНД “Дисперсні системи” (Одеса, Україна, 2000); науково-практична конференція “Современные енергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2002” (Москва, Россия, 2002); міжнародна конференція “Нове в технології зберігання та переробки зерна” (Одеса, Україна, 2002); на конференціях в країнах далекого зарубіжжя: Международный симпозиум по сушке” (IDS-1982, Бирмингем, Великобритания; IDS-1990, Прага, Чехословакия; IDS-1998, Солоники, Греция; IDS-2000, Нидерланды; IDS-2002, Китай); 7-а, 8-а Загальнодержавні конференції “Новые познания исследования как средство для обеспечения разработки энергоэкономичных сушилок” (Чехословакия, 1986, 1991); 1-ша міжнародна науково-технічна конференція “Применение псевдокипящего слоя и флуидизированных систем в пище - вкусовой и биотехнологической промышленности” (Болгария, 1989).

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 108 друкованих роботах, в тому числі в одній монографії з співавторами, у 27 статтях в наукових журналах та збірниках наукових праць, у 18 доповідях в матеріалах конференцій міжнародного рівня за термін 1998-2003 рр., в 10 авторських свідоцтвах на винаходи, у двох деклараційних патентах.

Структура і обєм дисертації. Дисертація складається із вступу, 8 розділів, основних висновків, списку використаної літератури і додатка. Загальний обєм містить 249 сторінок основного тексту, 91 рисунок, 38 таблиць та список літератури із 269 найменувань, додаток на 122 сторінках.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, що розглядається в дисертації, поставлена мета роботи, сформульовані основні задачі, обґрунтована необхідність комплексного дослідження теплофізичних і теплотехнологічних особливостей процесів збезводнювання рідинних матеріалів у диспергованому стані як наукової основи для удосконалення і розробки розпилюючого тепломасообмінного обладнання для концентрування і сушіння.

У першому розділі представлено сучасний стан розробок та основні тенденції удосконалення техніки і технології сушіння і концентрування рідинних матеріалів у диспергованому стані в потоці нагрітого повітря. Представлено ряд принципових технологічних схем та конструктивних особливостей камер розпилюючих сушарок, дається аналіз ефективності їх використання. На сьогодні у звязку з досить широким використанням методу збезводнювання рідинних матеріалів у диспергованому стані більш гостро ставляться вимоги до одержання порошків певного гранулометричного складу із заданими структурно-механічними і сорбційними властивостями.

Важливим аспектом при створенні ефективних розпилюючих сушильних установок має бути обґрунтовані такі конструктивні особливості, які суттєво зменшували б експлуатаційні складності при висушуванні матеріалів, що проявляють підвищені термопластичні, гігроскопічні властивості або мають інші специфічні характеристики.

На основі проведеного аналізу становища розробок в галузі техніки і технології розпилюючого сушіння констатується, що подальше удосконалення конструкцій і теплотехнологічних особливостей процесу сушіння розпилюванням повинно базуватися на основі достатньо повної інформації про температурно-вологістний стан крапель (часток), збезводнювання яких здійснюється в камерах розпилюючих апаратів. Ці дані необхідні при комплексному аналізі процесу розпилюючого концентрування і сушіння (рис.1), першим етапом якого повинно бути експериментальне дослідження особливостей процесу збезводнювання одиничної краплі і встановлення механізму і ступеня впливу внутрішніх процесів тепловологопереносу на кінетичні і тепломассообмінні характеристики продукту, як обєкту сушіння в диспергованому стані.

У другому розділі викладені методологічні особливості проведення експериментальних досліджень випаровування і сушіння на системі “крапля (частка) - високотемпературне парогазове середовище”, представлено опис спеціально розроблених і створених експериментальних стендів, методика проведення досліджень.

Стенди, на яких проведені основні експериментальні дослідження:

- стенд для дослідження кінетики тепловологопереносу в статичних умовах (Vn = 0 м/с (I);

- стенд для дослідження кінетики тепловологопереносу в потоці теплоносія (повітря) (II);

- стенд для дослідження адгезійних характеристик частки, що висушується при контакті її з підставкою, яка імітує елемент стінки камери (III);

Стенди оснащені різними оптичними системами і апаратурою для візуалізації процесів змінювання розмірів і форми часточки, процесів структуроутворення і деформаційних змінювань на разі виникнення нерелаксованих напружень, що спостерігаються в процесі зневоднювання одиничних крапель (часток).

В I-ому стенді використана цифрова вимірювальна реєструюча система, що дозволяє автоматизувати фіксацію поточних параметрів краплі (частки), проводити графічну обробку їх та розрахунки тепломасообмінних характеристик.

На основі експериментального дослідження можна одержати такі кінетичні і тепломасообмінні характеристики: термограми tк(), масограми mк(), змінювання розмірів краплі (частки) к(); температуру рівноважного випаровування tк tм; tм = (Со, tn, n); концентрацію коркоутворення Скр1, вологомісткість частинки в критичних точках ыкр1, ыкр2, ыкр3; розміри крапель в критичних точках кр.1, кр.2, кр.3 і частинок в кінці процесу сушіння кін.; тривалість окремих періодів збезводнювання: 1, 2, 3, 4, 5 и заг.; інтенсивність вологовіддачі краплі на різних стадіях збезводнювання; наявність протікання хімічних реакцій, температуру і теплоту реакції (плавлення, розмякшення матеріалу і інше.).

Подальша обробка одержаних даних дає можливість визначити такі тепломасообмінні характеристики: температурний коефіцієнт сушіння в сушильній стадії зневоднювання; інтенсивність вологовіддачі крізь утворену корку твердого матеріалу, значення комплексних чисел Ребіндера (Rb), Нуссельта (Nu), кінетичне рівняння сушіння краплі (частки).

Представлені оцінки можливих похибок при визначені вказаних кінетичних і тепломасообмінних параметрів.

Приведені схеми розпилюючих установок для дослідження процесів концентрування і сушіння рідинних матеріалів у диспергованому стані, методика проведення досліджень.

У третьому розділі представлені результати дослідження теплофізичних основ і теплотехнологічних особливостей процесу розпилюючого зневоднювання нових продуктів мікробіологічного синтезу медичного призначення: водного розчину терилітіну, водної дисперсії дріжджового автолізату, водної суспензії біовіту. Ці продукти в початковому стані являють собою групу, що відноситься до високовологих і містять важливі термочутливі біологічно активні компоненти.

Дослідження кінетики процесу випаровування і сушіння крапель цих продуктів показали, що випарювальна стадія, в якій вологопереніс відбувається з вільної поверхні крапель при tкtрtм, досить тривала і час зневоднювання до першої критичної вологості ыкр1 в значній мірі залежить від температури повітря в камері. Встановлено, що залежність ds/d=() має лінійний характер і по значенню близька до значення ds/d=() для чистої води (розчинник або дисперсійна фаза). На основі одержаних даних було визначено, що значення ыкр1, кр1/ практично не залежать від температури повітря в дослідженому діапазоні tп=100180оС, але різняться для різних початкових концентрацій. Були розраховані осереднені значення інтенсивності масовіддачі, які показали, що інтенсивність зневоднювання крапель досліджених продуктів у порівнянні з інтенсивністю випаровування близьких за розмірами крапель води співвідносяться як:

0,96.

Одержані дані показують, що для виробництва порошкоподібних продуктів із розчинів терилітіну, суспензії біовіту, дисперсії дріжджевого автолізату найбільш оптимальним є запропонований раніше академіком НАН України Долінським А.А. двоступеневий розпилюючий спосіб зневоднювання, який дає можливість мінімізувати термічну дію на біологічно активні речовини, що містяться в цих продуктах. Теплофізичні основи цього способу відображають представлені на рис.2 узагальнені графічні залежності змінювання температури парогазового середовища і краплі (частки) в окремих камерах (окремі стадії зневоднювання).

I стадія - розпилююче концентрування; II стадія - розпилююче сушіння.

Із рис.2 виходить, що при розпилюючому способі концентрування (1 стадія) процес випаровування вологи здійснюється з поверхні крапель при температурі, яка близька до температури рівноважного випаровування, що в більшості випадків становить tк tм 40-55оС (при температурі повітря в камері tп 150-300оС). Друга стадія - розпилююче сушіння випареного на 1-ій стадії продукту - здійснюється, в основному, як виходить із рис.2, також при tк tм. І тільки впродовж незначного проміжку часу досушування (суш.), температура краплі після досягнення вологовміщення ыкр1, підвищується до температури пароповітряної суміші на виході із камери розпилюючої сушарки. Тривалість термічної дії зводиться до мінімально можливого значення.

Досліди з розпилюючого концентрування і розпилюючого сушіння водяних розчинів терилітіну, показали, що протеолітична активність сухого продукту практично не змінилася. Фізико-хімічний аналіз порошків біовіту довів, що вміст вітаміну В12 і хлортетрацикліну (ХТЦ) в значно більшій мірі збереігається в продукті, який одержано двостадійним зневоднюванням в розпилюючих камерах порівняно з порошком біовіту, одержаного за існуючою технологією. Основний біологічно активний компонент у готовому продукті, одержаного за діючою технологією, складає 86,7% (із розрахунку в г на кг сухого залишку), а у порошку одержаного за рекомендованою технологією 98,0%. Якщо за існуючою технологією вміст у сухому продукті вітаміну В12 складає 37,0% (порівняно з його вмістом у початковій суспензії), то в порошкоподібному продукті, одержаного за новою технологією, вміст вітаміну В12 залишається практично збереженим повністю.

Аналіз отриманих експериментальних даних з кінетичних закономірностей збезводнювання високовологих термочутливих матеріалів, а також дослідження впливу термічної дії при розпилюючому збезводнюванні довели переваги двоступеневого зневоднювання у виробництві високоякісних медичних препаратів і доцільність проведення робіт, спрямованих на удосконалення конструктивних особливостей випарювально-сушильних агрегатів для реалізації нових технологій.

Характер одержаних кінетичних кривих tк(), mк(), 2() для високовологих продуктів (розчинів, суспензій, дисперсій) показав, що з достатнім ступенем імовірності, інтенсивність тепловологообміну між одиничною краплею і парогазовим середовищем може визначатися за співвідношеннями, одержаних при випаровуванні крапель чистих рідин (для розглянутих продуктів - крапель води) за таких же умов зневоднювання, але з поправкою на термодинамічний вплив розчинної речовини на відповідні кінетичні характеристики: tм(Со); dS/d(Cо); I(Со). Безрозмірні числа Нусельта розраховуються із співвідношень:

Nu=2+0,60Re0,5Pr1/3 та Num=2+0,60Re0,5Prm0,33

Важливим позитивним аспектом використання розпилюючих концентраторів є те, що в таких апаратах можна випаровувати рідинні продукти, реологічні і фізико-хімічні характеристики яких в значній мірі ускладнюють експлуатацію вакуум-випарювальних апаратів: утворюють значні відкладення, що зумовлює скорочення циклу безперервної роботи установки; зявляються труднощі при перекачуванні продуктів підвищеної вязкості та інше. На рис.3 показані термограми tк() при різних значеннях tп для екстрактів кави (а) і цикорія (б), із яких виходить, що процес зневоднювання крапель екстракту кави при початковій концентрації Со=18-25% (після екстракційного апарату) здійснюється при наявності періоду випарювання із вільної поверхні краплі при tкtм. Для випареного екстракту цикорія з Со=40% процес зневоднювання навіть при високій температурі tп = 250оС теж має період випарювання при tк tм. Дослідження із концентрування екстрактів кави натуральної і кавових напоїв різними методами (вакуумним і розпилюючим) показали, що найбільш важливі якісні показники кінцевих продуктів були набагато кращими у випадку концентрування в розпилюючому апараті. Організація процесу інтенсивної взаємодії розпиленої рідини і потоку нагрітого повітря у камері розпилюючого концентратора дозволила одержати наступні значення напруженності з випарювальної вологи:

qрк = 115150 кг/м3год - для усього робочого обєму розпилюючого концентратора;

qрк = 230250 кг/м3год - для ефективної зони взаємодії фаз у камері концентратора.

Проведені дослідження переконливо показали можливість управління структурно-механічними характеристиками порошків кавових напоїв, з різними початковими фізико-хімічними властивостями, регулюванням концентрації випарювального екстракту і ступенем рециркуляції зневоднюваного продукта при реалізації нової технології одержання instant - продуктів (швидкорозчинних продуктів).

Четвертий розділ присвячений розгляданню теплофізичних і теплотехнологічних особливостей сушіння методом розпилювання розчинів матеріалів, які проявляють термопластичні властивості при температурно-вологістних умовах в розпилюючих камерах. На основі великої кількості проведених досліджень з кінетики сушіння різних розчинів до термопластичних матеріалів можна віднести ряд продуктів хімічного синтезу, харчові продукти і деякі екстракти фітопрепаратів.

Проведено комплекс досліджень процесу розпилюючого зневоднювання розчинів мочевино- і меламіноформальдегідних смол (УКС, МС-Г100, КС-684 та інші).На основі експериментальних досліджень були установлені наступні кінетичні закономірності і теплофізичні основи розпилюючого зневоднювання розчинів смол:

- високотемпературний процес зневоднювання (при tп 160оС) крапель розчинів синтетичних смол необхідно розглядати таким, що відбувається при наявності значних температурних і концентраційних градієнтів по перетину краплі, які суттєво ускладнюють характер кінетичних кривих зневоднювання;

- відмічена можливість наявності хімічних реакцій при tк 100оС, що є основою вважати такі продукти термореактивними;

- відмічено, що при досягненні краплею вологовмісту, який відповідає значенню ыкр1 (при tп 160оС и Со 30%), еластична плівка, що утворюється при цьому на поверхні краплі, в значній мірі лімітує вологопереніс із внутрішніх об'ємів краплі до її поверхні; здійснюється інтенсивне пароутворення всередині краплі, тиск всередині частки зростає, що призводить до багаторазового роздування її (рис.4), а разом і до інтенсифікації вологовіддачі з поверхні;

- характерною особливістю зневоднювання крапель висококонцентрованих розчинів (Со 40%) термопластичних матеріалів є значна тривалість періодів плівкоутворення, на протязі яких крапля смоли, що висушується, проявляє підвищені адгезійні властивості.

Установлені тепломассообмінні характеристики при зневоднюванні крапель розчинів смол:

- інтенсивність зневоднювання у квазістаціонарному режимі процесу зневоднювання:

, где Аs0,50

при tп=100140 оС; Vп=02,5 м/с; Со=3050 % (uо==2,31,0);

температурний коефіцієнт сушіння у періоді плівкоутворення і виділення твердої фази (до періоду кипіння):

b=dtк/dы=const60 оС мг/мг

при Со=2050 % (uo=4,01,0); tп=100160 оС.

Одержано рівняння кінетики сушіння у такому вигляді

Rb = Кс u n,

де Кс=4,5 ехр(-0,03Со) та n=1,5ехр(-0,065Со).

Експериментально установлені максимальні сили адгезійної взаємодії Fад з підкладкою, що імітує стіну розпилюючої камери, при зневодненні крапель меламіно-формальдегідної смоли (МФС) і смоли УКС: Fад.max для смоли УКС з Со = 64% практично в 2 рази більше, ніж для смоли МФС з Со = 50%. На основі проведеного комплексу досліджень адгезійних характеристик для часток порошків МФС (рис.5) випливає, що доцільно мати спектр висушених часток, розміри яких не перевищують 60 мкм. Встановлено, що для зменшення прилипання часточок до поверхні стінок сушильної камери слід передбачати термостатування їх при температурі не більшою за 65оС.

Дослідження кінетики процесу зневоднювання одиничних крапель розчинів кальцієвої солі -аланіну (Са-солі -А) показали, що завершальна стадія сушіння для матеріалів, які проявляють термопластичні властивості і для яких визначені жорсткі вимоги стосовно низької кінцевої вологості (Wкін 1,0%), вимагає особливої уваги при організації процесу розпилюючого сушіння таких матеріалів. Це передбачає, з одного боку, підвищену температуру повітря на виході із камери, а з іншого боку, її значення обмежується термопластичними властивостями таких продуктів. Проведений комплекс досліджень на лабораторній розпилюючій установці переконливо довів, що технологія синтеза розчину Са-солі -А, яка передує стадії сушіння, визначає подальші теплотехнологічні особливості процесу сушіння розпилюванням. Вміст у початковому розчині, що подається в розпилюючу камеру, таких домішок, як вільний -аланін, гіпс, вапно, погіршують властивості розчину, як обєкту розпилюючого сушіння, не дозволяють стабілізувати процес і одержати порошок з необхідними якісними характеристиками. Наявність вказаних домішок підвищує адгезійні і гігроскопічні властивості одержаних порошків. Аналіз структурно-механічних характеристик одержаних порошків також показав залежність сипкості від якості початкового розчину. Виявлені теплофізичні і теплотехнологічні особливості сушіння методом розпилювання Са-солі -А дали можливість установити необхідність удосконалення загальної технології синтезу і розробити технічне завдання на нову розпилюючу сушарку для термопластичних матеріалів.

Із харчових продуктів, що проявляють термопластичні властивості, розглянуті, як обєкти сушіння розпилюванням, фруктові соки і композиційні склади на їх основі. Результати досліджень показали доцільність використання різноманітних стабілізуючих добавок, які вносяться у початковий фруктовий сік з метою управління реологічними і фізико-хімічними властивостями, що дає можливість значно зменшити адгезійні відкладення при розпилюючому висушуванні і зменшити гігроскопічність одержуваних сухих продуктів. Результати проведених досліджень стали науковим обґрунтуванням для розробки нової технології одержання сухих фруктово-молочних композиційних складів на основі використання вторинних молочних продуктів.

Пятий розділ містить результати дослідження теплофізичних і теплотехнологічних аспектів сушіння розпилюванням висококонцентрованих розчинів матеріалів з підвищеною гігроскопічністю. Досліджувалися водні розчини холінхлоріду, який є біологічно активним препаратом і використовується як вітамінна і стимулююча добавка в кормах сільськогосподарських тварин. Холінхлорід - продукт хімічного синтезу і випускається у вигляді концентрованого 70%-ного водного розчину. На рис.6 представлені термограми сушіння і охолодження часток tк() при tп=190оС для крапель з Со=70%. Різке підвищення температури краплі після розміщення її у потоці нагрітого повітря обумовлюється досить малою швидкістю вологовіддачі через суттєве зменшення коефіцієнта дифузії D1 для таких концентрованих розчинів. Однак, високий темп зростання tк з часом приводить до підвищення D1, що зумовлює інтенсифікацію вологопереносу із краплі до її поверхні. Ці особливості пояснюють той факт, що, навіть при зневоднюванні крапель розчину холінхлоріда з Со = 50% і 70%, на початковій стадії спостерігається лінійна залежність Sк(). Ця квазівипарювальна стадія зневоднювання для досліджених розчинів продовжується практично до завершення стуктуроутворення твердої фази в об'ємі краплі (частки). Візуальні спостереження показують, що при досягненні краплею tк tкип 122оС всередині неї відбуваються значні переміщення продукту - здійснюється самоперемішування, що при наявності відміченої підвищеної розчинності і досить малій залишковій волозі не призводить до розриву (деформації) часточки, що висушується, та викидів при цьому з неї вологи у вигляді пари. Як випливає із аналізу кінограм процесу, температурні та концентраційні градієнти, що виникають при цьому у краплі, призводять тільки до деякого “набухання” частки.

Були розглянуті особливості кінетики охолодження висушених часток, що мають tк tп , на основі яких установлено, що, виділення тепла кристалізації в обємі одержаного порошку буде призводити до спікання часток, утворення трудно руйнівних агломератів і грудок. Окрім того, висушені часточки впродовж 15-60 с (в залежності від вологості і температури навколишнього середовища, кінцевих значень вологомісткості і розмірів часток) обводнювалися: часточки білого кольору мутніють, невдовзі покриваються вологою плівкою і достатньо швидко знову переходять у стан розчину. Така висока сорбційна активність вимагала пошуку стабілізуючих добавок, що зменшують гігроскопічність порошку і подовжують строки його збереження. Результати проведених досліджень показали: увесь процес зневоднювання відбувається при різкому підвищенні tк, низькотемпературна стадія випаровування відсутня, кінетичні криві mк(),tк() не мають явно виражених сингулярних точок (рис.7.а), інтенсивність вологовіддачі до значення вологомісткості у другій критичній точці можна вважати практично сталою величиною (рис.7,б) і зростаючою при підвищенні tп.

Вплив внутрішнього вологопереносу при розпилюючому висушуванні висококонцентрованого розчину холінхлоріда з Со=70% у високотемпературному потоці повітря можна урахувати наступними осередненими кінетичними характеристиками:

- інтенсивність вологовіддачі у квазістаціонарному режимі:

,

для Со=50 %: tп=100 оС; Аs=0,57;

tп=200 оС; Аs=0,82.

для Со=70 %: tп=100 оС; Аs=0,37;

tп=200 оС; Аs=0,65.

- інтенсивність вологовіддачі у діапазоні 0,2ы0,4 при tв=160 оС:

(dm/d)=f(ы)=const12,510-3 мг/с

2,0

- значення вологомісткості в критичних точках при 150оС tп 240оС:

ыкр2 0,22; (18,3 %);

ыкр30,15=umax.гігр; (13,5 %=Wmax.гігр)

- температурний коефіцієнт сушіння в діапазоні 0,02ы0,4:

b=сonst275 оС/мг/мг

Дослідження процесу розпилюючого зневоднювання розчину холінхлоріда показали, що незадовільні сипкі властивості порошка ускладнюють роботу сушильної установки (зявляються відкладення у камері), а значна його гігроскопічність ускладнює процес вивантаження. В роботі наведені розроблені і рекомендовані до впровадження композиційні склади добавок-стабілізаторів із трьох речовин, одна з яких є адсорбентом-стабілізатором, друга - антизлежуваним, третя - антиадгезійним засобом: КС-I і КС-II. Результати аналізу дисперності порошків свідчать, що склад композиційної добавки впливає на характер кривих розподілу часток R(о) і на осереднені розміри часток ч : діапазон змінювання розмірів часток складає 5-90 мкм; середній розмір часток - 15-25 мкм, що в цілому забезпечує достатньо високу ефективність уловлювання їх у циклонах.

В результаті проведеного комплексу досліджень зі збереження одержаних порошків холінхлоріду на протязі року встановлено, що для продукту з КС-I і КС-II структурно-механічні характеристики (кут природнього укосу і швидкість витікання ) змінювалися несуттєво, насипна густина (вільна в і ущільнена ущ ) практично не змінювалися і становили для порошків холінхлоріду:

с КС- I: в=480520 кг/м3 ; ущ=650660 кг/м3 ;

с КС- II: в=540550 кг/м3 ; ущ=600610 кг/м3 .

Вимірювання вологості проб порошків при зберіганні на протязі року показали, що на кінець року Wпор не перевищувала 1%. Проведені дослідження стали науковою основою для розробки нової технології сушіння 70%-ного розчину холінхлоріда із запропонованими добавками-стабілізаторами і довели, що реалізація нової технології гарантує одержання сипкої форми порошкоподібного холінхлоріду із збереженням важливих структурно-механічних характеристик впродовж достатньо тривалого строку зберігання (не менше одного року в звичайних складських умовах).

Проведені теплофізичні і теплотехнологічні дослідження особливостей процесу розпилюю чого сушіння кормового концентрата лізину (ККЛ), що одержується в результаті мікробіологічного синтезу і являє собою цінну кормову добавку для сільськогосподарських тварин. На основі результатів досліджень розроблена нова технологія, що забезпечує достатньо вологостійку порошковидну форму з підвищеним вмістом основної біологічно-активної речовини - лізину. Досягається це за допомогою стабілізуючих (гідрофобізуючих) добавок, застосування яких дає можливість одержання продукту з поліпшеними якісними показниками: вміст L-лізину (активної речовини) - 22-28%, що в 2-3 рази більше, ніж у тій формі, що випускається; вміст добавок, що вводяться, у кількісному відношенні зменшується в 2-6 рази (порівняно з існуючою технологією); вологість одержаного порошку 1,0-2,0%. Насипна густина - 0,500,60 г/см3, ущільнена - 0,800,85 г/см3 , що приводить до зменшення транспортних витрат. Кут природнього укосу - 2830 град. - є характерним для досить добре сипких матеріалів. Середній розмір часток - 2030 мкм - забезпечить досить високий ступінь сепарації в апаратах циклонного типу.

В шостому розділі викладені результати теплофізичних основ і теплотехнологічних особливостей сушіння методом розпилювання продуктів, що мають у порошковидній формі низьку насипну густину. Ці порошки одержуються із цілого ряду екстрактів рослинної сировини, у виробництві деяких медичних (розчини поліміксіну) або хімічних (розчини синтетичних миючих засобів) продуктів.

Використання розпилюючих сушарок для одержання екстрактів у вигляді порошку обумовлене зберіганням в них найважливіших складових початкових екстрактів. Ефективність процесів змішування, гранулювання, таблетування порошків в значній мірі визначається їхніми структурно-механічними характеристиками. На рис.8 представлені термограми процесу зневоднювання крапель екстракту кори крушини (КК) tк(), аналіз яких показує, що для крапель ідентичної концентрації інтенсифікація тепловологопереносу з підвищенням tп є суттєвою. Однак, збільшення tп призводить до деформації корки, що утворюється на поверхні зневоднювальній часточці, у періоді кипіння. Дослідження процесу розпилюючого сушіння підтвердили імовірність утворення порошковидного продукту з низькою кінцевою густиною при високотемпературних параметрах повітря, що подається в сушарку. Виявлені закономірності дозволяють констатувати: з метою оптимізації процесу сушіння методом розпилювання подібних матеріалів слід особливу увагу приділяти значенням tп і Со, а також ефективності системи сепарації порошковидного продукту.

Розглянуті також кінетичні характеристики зневоднювання крапель випареного екстракту з листа чаю із вмістом сухих речовин Со = 45% і Со=67% при різних tп в діапазоні 80220оС.

Проведені дослідження теплофізичних основ процесу сушіння методом розпилювання екстрактів кори крушини і чаю розкрили причини одержання порошковидного продукту з низькою насипною густиною, що обумовлює також підвищену їх гігроскопічність. Аналіз одержаних результатів дозволив установити і запропонувати раціональні режими сушіння розпилюванням і спеціальні схеми сепарації порошковидного продукту.

Сьомий розділ присвячений принципам моделювання процесів тепловологопереносу в системі “крапля-парогазове середовище”, класифікації рідинних матеріалів, як обєктів зневоднювання в диспергованому стані. Математичне моделювання процесів тепловологопереносу для системи “крапля-парогазове середовище”, особливо з урахуванням гідродинамичної обстановки в розпилюючій камері, являє собою складну задачу. Труднощі математичного урахування усіх впливаючих факторів на інтенсивність тепловологопереносу, а також складності при визначенні теплофізичних констант (коефіцієнту дифузії вологи, характеристик капілярної структури речовини, що виділяється при висушуванні, фільтруючих характеристик її, вязкості, теплопровідності та інше), обумовлюють деякі особливості при спробах описування процесів.

Аналіз фізичних моделей при зневоднюванні крапель в “жорстких” умовах дав можливість розглянути моделі, що відображають певні специфічні особливості процеса тепловологопереносу. Так, була розглянута математична модель при зневоднюванні краплі розчину, що покрита тонкою коркою розчинної речовини, у високотемпературному газовому середовищі. Припускалося:

- шар розчину, що контактує з внутрішньою стороною корки, насичений при температурі внутрішньої поверхні;

- середня концентрація розчинної речовини в краплі в момент утворення твердої фази мала;

- розчин із обєму краплі проникає на верхню межу корки дифузійним шляхом, а капілярне переміщення рідини у кірці відсутнє;

- температура усередині краплі така, що тиск насиченої пари усередині корки суттєво не перевищує тиску оточуючого (навколишнього) газу і корка не руйнується;

- температура внутрішньої поверхні корки буде дорівнювати температурі розчину під коркою.

Розглядалась система рівнянь теплопровідності і дифузії, в яку не ввійшли члени, що містять термоградієнтний коефіцієнт і критерій фазового переходу. Використані граничні умови III-го роду. Застосовуючи перетворення Лапласа, одержуємо рішення для температури в корці Т(к):

Т(к)(r,)=Tп(r,)+Tm(r,) +Tq(r,)

де Тm(r,), Tq(r,) - залежність температури з часом обумовлена відповідно переносом маси і потока тепла; при цьому вважали, що Тп = const. Розрахунок значень Тм(r, ) і Тq(r, ) досить громіздкий. Час, за який температура у корці переходить від То до Т1, визначається коренями п характеристичного рівняння, товщиною корки R2 - R1 і температуропровідністю корки ат:

Тривалість переходу від Т1 до Тп визначається часом релаксації, що залежить від коефіцієнта дифузії в корці:

В (9 і 10) п і п - корені характеристичних рівнянь. Так як ат D, то qD. Вираз для температури під коркою Т(пк) представляється, як:

...