Совершенствование тепломассообменных процессов при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

$1

V

На правах рукописи

МАКСИМЕНКО Юрий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СУШКЕ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В ДИСПЕРГИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2005

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Алексанян И.Ю.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Палагина И.А.

кандидат технических наук, доцент Кузьмин А.Ю.

Ведущая организация: ОАО «Астраханский спиртзавод»

Защита состоится «. 22 .» декабря 2005г. в 14-00 ч. на заседании диссертационного совета Д. 307.001.03 в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» по адресу. 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ауд. 5.308. Факс (8512) 25-73-68. Тел. (8512) 559-282

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан « 27» ноября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к т.н.

Виноградов С.В.

ЛМ6-Ч г 2 636и

1ЩГ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время остро стоит вопрос утилизации отходов производства спир1а с точки зрения использования ценных белковых компонентов и экологической безопасности, вследствие их токсичности. В этой связи очевидна целесообразность исследований, направленных на разработку и совершенствование методов получения вторичных продуктов и i отходов спиртового производства.

Одним из основных отходов спиртового производства является барда, обладающая высокой питательной ценностью, значительный выход которой в технологии спирта создает существенную сырьевую базу для производства кормовых добавок и премиксов, однако ее использование сдерживается высоким содержанием (до 92%) влаги и токсичностью, чю снижает ареал применения в натуральном виде Очевидна необходимость снижение расходов на производство, транспортировку и хранение кормбв

За последние десятилетия предложены разнообразные технологии кормовой продукции, однако их внедрение и надежное функционирование требует тщательного технико-экономического обоснования и сдерживается отсутствием надежных способов и аппаратов для сушки, являющейся заключительной и наиболее энергоемкой операцией в технологическом процессе. Известно, что максимальный экономический эффект достигается при микробиологическом выращивании на основе барды кормовых дрожжей, представляющих высокоценный белково-витаминный продукт Таким образом, совершенствование тепломассообменных процессов при производстве кормовых дрожжей актуально и представляет научный и практический интерес.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соо!ветствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, ггереработке и утичизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров».

Целью работы является получение рациональных режимных параметров проведения процесса сушки кормовых дрожжей в аиспергировапном состоянии для обоснованного выбора высокоэффективного сушильного оборудования и метода его расчета

Задачи работы:

- выбор перспективных направлений совершенствования тепломассообмена при сушке кормовых чрожжей на основе технико-экономического анализа способов сушки и конструкторских решений для их осуществления:

- исследование путем комплексных натурных экспериментов и теоретического обобщения литературных данных гегшофизических (ТФХ). физико-химических (ФХС). структурных и массовлагообменных характеристик, а также изучения термодинамики статического взаимодействия кормовых дрожжей с воДЬй;

- экспериментально и теоретически исследовать гидродинамику процесса псевдоожижения при сушке кормовых дрожжей:

- выбор и обоснование рациональных режимных параметров и способа энергоподвода в процессе обезвоживания с учетом влияния основных факторов на интенсивность конвективной сушки кормовых дрожжей в кипящем спое,

- выявление особенностей механизма вн\греннсго тепломассопереноса при симке в пссвдоожижепном состоянии па основе жепери ментальна и теоретических исследований. го С. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1

i БИБЛИОТЕКА .]

1 zr&Jm

- анализ полей температур и определение зависимости массовлагообменных характеристик от влияющих параметров путем физико-математического моделирования тепломассообменых процессов при сушке кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии;

- рекомендации по практическим методам интенсификации и расчета тепломассообмена в процессах сушки диспергированных кормовых дрожжей и конструкторским решениям для их реализации.

Объект исследования. Тепло- и массообменные процессы, при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии.

Методика исследований. Основой исследований является изучение гидродинамической обстановки в процессе сушки кормовых дрожжей, а также термодинамический анализ статического взаимодействия воды с кормовыми дрожжами на основе опытных данных в комплексе с теоретическим анализом для интенсификации тепломассообмена, численного расчета температурных полей и реализации модели тепломассопереноса в процессе сушки с учетом динамики изменения свойств кормовых дрожжей в реальном процессе.

Достоверность результатов исследования. Цель исследования достигнута, благодаря обобщению и анализу классических и новых аналитических и эмпирических методов изучения тепломассопереноса, на базе известных научных достижений и основополагающих работ в области обезвоживания диспергированных продуктов, положениям которых соответствуют выводы и рекомендации, представленные в работе. Полученные автором зависимости и аппроксимирующие уравнения адекватны экспериментальным данным, что подтверждено статистической обработкой результатов измерений. Методическое обеспечение и предложенные в результате исследований конструкторские решения не противоречат известным апробированным методикам рационального проектирования и конструирования аппаратов. Комплекс экспериментов и реализация физико-математической модели процесса сушки проводилась с использованием современных компьютерных математических программ, приборов и оригинальных опытных установок.

Научная иовизна. Получены уравнения зависимости ТФХ. ФХС. структурных и массовлагообменных свойств кормовых дрожжей от влияющих параметров, определены и математически аппроксимированы закономерности взаимодействия воды с кормовыми дрожжами на основе термодинамического анализа.

Определены диапазоны и рационапьные значения критических скоростей псевдоожижения и уноса диспергированных кормовых дрожжей при сушке в кипящем слое Получены зависимости I идравлического сопротивления псевдоожиженного слоя продукта от скорости и физико-химических параметров ожижающего агента в реальном процессе обезвоживания.

Проведена зональная аппроксимация кривых сушки и скорости влагоудаления в псевдоожиженном состоянии, а также с учетом реальных технологических параметрических ограничений и динамики процесса сушки получены уравнения зависимостей кинетических коэффициентов На основе выявленных особенностей механизма внутреннего тепломассопереноса при сушке в псевдоожиженном состоянии, выбран и обоснован рациональный режим обезвоживания. Получены аппроксимирующие уравнения целевой функции оптимизации в зависимости от основных факторов, влияющих на интенсивность конвективной сушки кормовых дрожжей в кипящем слое

Проведен анализ полей температур и определены зависимости массовлагообменных характеристик от влияющих параметров путем физико-

математическою моделирования тепломассообменых процессов и его численной реализации при сушке кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии

Практическая значимость работы Результаты исследований предназначены для совершенствования технологии сушки кормовых дрожжей, ее аппаратурного обеспечения и выбора рационального режима обезвоживания

Разработаны и изготовлена оригинальная опытная установка для изучения кинетики конвективной сушки диспергированных продуктов и методика проведения экспериментов

Предложен рациональный способ конвективной сушки в псевдоожиженном состоянии, определены и обоснованы режимные параметры процесса влагоудаления и псевдоожижения

Усовершенствована методика расчета промышленной установки для сушки продуктов в диспергированном состоянии

Рекомендована рациональная конструкция сушилки с кипящим слоем жидкого продукта без использования инертных тел.

Предметом зашиты являются следующие основные результаты рабо!ы, определяющие ее научную и практическую ценность.

1 Пути совершенствования тепломассообмена при сушке кормовых дрожжей.

2 Диапазоны и рациональные значения критических скоростей псевдоожижения и уноса диспергированных кормовых дрожжей при сушке в кипящем слое Отрицательное значение термоградиентного коэффициента в диапазоне высоких влажностей.

3 Обоснование рациональной схемы сушки, уравнения зависимостей ТФХ, ФХС и гигроскопических характеристик 01 влияющих факторов

4 Особенности механизма внутреннего тенломассопереноса при конвективной сушке в диспергированном состоянии, зависимости целевой функции оптимизации от влияющих параметров, рацион&тьные режимные параметры конвективной сушки кормовых дрожжей в кипящем слое

5. Зависимости массовлагообменных характериешк 01 режимных параметров и температурные поля при обезвоживании кормовых дрожжей на основе реализации физико-математической модели

6. Экспериментальная установка для исследования процессов распылительной сушки и сушки в кипящем слое, методики проведения экспериментов и расчета промышленной установки для сушки продуктов в диспергированном состоянии.

Внедрение результатов работы позволяет:

- повысить качество продукт а, интенсивность и эффективность сушки при «мягких» рациональных режимах обезвоживания кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии без использования инертных тел,

- сократить энергозатраты при сушке кормовых дрожжей.

Отдельные результат диссертационной работы приняты к использованию и дальнейшему внедрению иа предприятиях ОАО «Астраханский спиртзавод» и ЗАО «Астраханский пектин», где анализ рекомендаций подтвердил актуальность исследований и экономическую эффективность внедрения результатов работы, что подтверждено прецварительным технико-экономическим расчетом (приложение 4 диссертации).

Работа «Оригинальные гехнолен ии и оборудование для сушки, экспандирования и фану шроваиия пищевых и кормовых проектов» выполненная при участии автора.

отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2005 г.

Реализация результатов исследований. На основе проведенных исследований и рекомендованной рациональной схемы сушки кормовых дрожжей разработаны и усовершенствованы экспериментальная установка для исследования процессов распылительной сушки и сушки в кипящем слое, методики проведения экспериментов и расчета промышленной установки для сушки продуктов в диспергированном состоянии при «мягких» рациональных режимах обезвоживания кормовых дрожжей, планируемые к использованию и внедрению на ОАО «Астраханский спиртзавод». Анализ выводов и предложенных рекомендаций подтвердил актуальность и экономическую эффективность внедрения результатов исследований и целесообразность их использования в рамках региональной программы «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров».

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно - технических конференциях- II Всероссийской научно - технической конференции - выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г. Москва, 20041.); IV Международной научно - технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» в Вологодском ГТУ (г Вологда, 2004г); Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания» (г. Барнаул, 2004г.); II Международной научно - технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пишевой промышленности»в Воронежской ГТА (г Воронеж, 2004г); международной научной конференции «АГТУ - 75 лет»в Астраханском ГТУ (г Астрахань, 2005г); Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-18 в Астраханском ГТУ (г. Астрахань. 2005г): Второй международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ - 2005 (г Москва, 2005г.); Результаты исследований экспонировались на II Всероссийской научно - технической конференции - выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г Москва. 2004г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3_ по перечню ВАК РФ.

Личный вклад автора Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично, в том числе- постановка цели и задач исследования, разработка и изготовление экспериментальной установки и методики проведения экспериментов, анализ и обобщение результатов теоретических и проведение экспериментальных исследований, корректировка модели и ее численная реализация, выработка рекомендаций по рациональному способу сушки и конструкции для его осуществления. Предложена рациональная конструкция сушилки.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 278 страницах машинописного текста, в том числе 37 табчиц. 95 рисунков. 138 страниц приложений список литературы из 250 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении охарактеризовано современное состояние и перспективы развития технологии и техники сушки кормовых продуктов, обоснована актуальность работы, поставлены цели и задачи исследований, логически выстроена структура работы.

В первой главе «Пути интенсификации тепломассообмена при сушке кормовых дрожжей на основе анализа перспектив их использования и современного состояния техники и технологии сушки» определены с учетом основополагающих работ по переработке продуктов микробиологического синтеза и их обезвоживания в диспергированном состоянии А В. Лыкова, АС Гинзбурга, И А. Рогова, П Д. Лебедева, Б.И. Леончика, И.Ю Алексаняна, Э Г Тугова, А М. Карпов и др пуги интенсификации тепломассообмена при сушке кормовых дрожжей. В результате обобщения и сравнительного анализа достоинств и недостатков существующих способов обезвоживания жидких продуктов и конструкций сушильных установок, предложены рекомендации по снижению энергозатрат и обеспечению экологической безопасности при сушке, а также рациональные способы и конструкции для диспергирования продуктов.

Во второй главе «Термодинамический анализ закономерностей взаимодействия кормовых дрожжей с водой на основе изучения физико-химических, гигроскопических и теплофизических свойств» изложены результаты экспериментально-аналитических исследований статики процесса обезвоживания и свойств кормовых дрожжей как объектов сушки. »

Для оценки влияния отдельных (енлофизических свойств на характер и продолжительность обезвоживания и облегчения их оперативного применения в инженерных расчетах и математическом моделировании процесса были систематизированы и обобщены теплофизические и структурно-механические характеристики кормовых дрожжей с использованием литературных и экспериментальных данных, получены аппроксимирующие уравнения зависимости теплоемкости с,„ (1), теплопроводности ) (2), плотности р (3) и коэффициента температуропроводности а (4) от температуры Т и влажности л\> продукта для реальных диапазонов обезвоживания(7'= 293 - 353 К, и-1 = 0,05 - 0,95 кг/кг). Зависимость удельной массовой теплоемкости от влияющих факторов: с„Д1с,Т) = (-12,502 Г + 2035,196) 1с2 +(8,663 Г+1954,876) «- + (3,83 Г+199,06). (I) Зависимость коэффициента теплопроводности от влияющих факторов:

Л{п:,Т) - 0,44 и-+ 0,0007 Т -0,14. (2)

Зависимость физической плотности кормовых дрожжей от влияющих факторов' /) — (3,128!6073 Ю"1 Т* - 0,418838442 Г'+ 210,089788 Г: --46786,185 Г+ 3902703,72) и- -(2,930802531-10 ' /'-0.3927111688 Г+. (3) +197,1317671 • Т2 - 43932,3805 Г+ 3667595,612) м-+1380 Зависимость коэффициента температуропроводности от влияющих факторов'

а(п,Т)=Ми / )'(ст(п7) /V» 7» (4)

На рис 1 и 2 показаны поля значений удельной массовой теплоемкости с„„ коэффициента теплопроводности X. плотности р и коэффициента температуропроводности а для реальных диапазонов температуры и влажности в процессе сушки, полученные по уравнениям (1). (2), (3) и (4) соответственно

Существенное влияние па кинетику сушки оказывают гигроскопические характеристики, лежащие в основе из\ чепия статики процесса - начально! о этапа при исследовании обезвоживания, основы для анализа кинетики процессов сушки

Рис I Поля значений удельной массовой теплоемкости ст и коэффициента теплопроводности. для реальных диапазонов температуры и влажности (/ = 293 - 353 К, и ~ 0,05 - 0,95 кг/и)

Рис 7 Поля значений плотности/; и коэффициента температуропроводности а для реальных диапазонов температуры и влажности в процессе сушки (Т~ 293 - 363 К, и = 0,05 - 0,95 кг/кг)

На рис 3 приведены изотермы сорбции кормовых дрожжей, полученные тензометрическим методом.

Рис 3 Изотермы сорбции кормовых дрожжей

Благодаря образованию прочных гидратныч комплексов при ориею анионной гидратации (на участке Ur от 0 до 0.062 кг/кг, (рис 3) до 1-ой точки иере!иба) сорбционная способность практически не зависит от температуры. На участке (/,, от 0,062 до 0.103 кг/кг. ввиду увеличения количества влаги происходит полимолекулярная адсорбция При дальнейшей сорбции происходи! слабое набухание, аморфизация и усадка После Up = 0.276 кг/кг наблюдается сильное набухание и частичное растворение что обусловлено наличием клеточных оболочек

Анализ изотерм сорбции позволил установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца \Г \Е-Т \S. (5) (Д£. AV соответственно изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии, по (при Р.Т - const (рис 4)

5|> 1/К

1 Г 2'И'К 2-1 ЗОЛ.

!

\

N .. /

03 о л

1'р, кг/кг

Рис 4 Зависимое!и свободной

(II), свяшшюи

Зи„

(1) энер! ии и термоградиенгиого

коэффициента др от влажности Ир при сорбции кормовых дрожжей

На изотерме сорбции кормовых дрожжей можно выделить 5 характерных участков В полулогарифмических координатах изотерма !п А„ = /Л/;1/) предстает в виде ломаной линии, что упрощает математическую обработку и делает выявляет точки перегиба при изменении вида и энергии связи влаги с материалом.

При дифференцировании уравнения (5), учитывая, что энергия связи влаги с материалом равна Е = -\df\Ffdi/р )= - Я Т 1п /(.,, (6) получим:

ди„ ~1 ди„ ! ди

р /Г Г V Р/т Р \ рУI г

где (дЛГ/дир )у ^ - изменение внутренней энергии (теплового эффекта) сорбции.

Количество 1епла для испарения 1 кг влши с учетом энтропийной составляющей:

(7)

31184581 103 -228666 Т-55,(5) Я Т 1пА„ +55,(5) Т (8)

дир

У ~ Г 4- V

' 1/ ^ ' опт

Термоградиентный коэффициент, являющийся составляющей относительного

коэффициента термодиффузии равен 8 , (9), где Д// - разность

V дТ ), \dfyi),

химических потенциалов, как дифференциальное изменение свободной энергии Гельмгольца А/7 = - Е.

В результате аппроксимации зависимости активности воды ог температуры и влагосодержания получены зависимости:

1пЛ, =(аТ + Ь)и1, + (с1Г + с11),( 10), — = -Я [{2а,г + ь,рр+ (2с, 7+</,)]. (11);

(2а, Т + Ь,) и„+(2с, Г+ </,)

= 42а,Т + Ь, )и„ + (2с,Т + )], (12); ¿„ =

(а, Т2+Ь, Т)

где а„ 6„ с„ с1, - эмпирические коэффициенты; г - порядковый номер зоны.

Анализ изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца для изохорно-изобарно-изогермического процесса показывает, что энтропийная составляющая свободной энергии для кормовых дрожжей играет

значительную роль и свидетельствует о наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок капилляров) и ориентационном, структурном (иммобилизационном) и осмотическом механизме их взаимодействия с водой. Отрицательное значение свободной энергии во всей области (рис 4) свидетельствует о сильном набухании и частичном растворении при больших значениях активности воды. Величина д/} имеет отрицательное значение при малой влажности, что обусловлено явлением теплового скольжения при эффузионном переносе пара в разветвленной сети микрокапилляров.

В третьей главе «Исследование влияния основных факторов на интенсивность сушки кормовых дрожжей на основе изучения и анализа кинетики обезвоживания» изложены основные результаты изучения кинетики сушки на разработанной экспериментальной установке (рис. 5) с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных, а также проанализированы особенности тепломассопереноса для кормовых дрожжей при сушке в псевдоожиженном слое.

К основным факторам, влияющим на интенсивность процесса сушки в псевдоожиженном состоянии, относятся. 1) С - скорость теплоносителя, м/с: 2) Т-leMiiepaiypa [енлоносителя, К; 3) w„ - начальная влажность дрожжевой суспензии, кг/кг Втабл №1 приведены уровни варьирования, влияющих факторов

Таблица № 1 Уровни варьирования факторов_

Т. К У, м/с н-'„, кг/кг

_1__423 10,82~ 0,80

__2_______473__002__0J!5___

3__503__12/74__0,90

4 I 623 1 -

В результате экспериментов получены кривые сушки, некоторые из которых, представлены на рис. 6. Относительная погрешность среднего результата определения влажности не превышала е = 12% В качестве целевой функции выбран съем сухого продукта с единицы объема в единицу времени (интенсивность).

// = Л'м* про,) /('7< и/, камеры г), КгДмЧ), ( 1 4).

где MQi ЩЮ1) - масса высушенного продукта (при w = 0,05 кг/кг), кг: Vl)w к1и,ч,ы - объем рабочей камеры (0,0065 м'), м1: г-экспериментальное время сушки, с.

Статистический анализ и компьютерная обработка опытных данных позволили получить адекватную математическую линейно-степенную зависимость (15) Оценка достоверности аппроксимации R1 зависимости критерия оптимизации ог варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0.9. Полученные результаты расчета по > равнению (15) приведены на рис 7 для различных температур сушильного агента Т. анализ которых позволил рекомендовать и апробировать рациональные режимы сушки Рациональные значения варьируемых параметров и максимум искомой (целевой) функции П = 0.246 кг/(м' с), определенные с помощью опции «maximize» в среде Mathcad Professional, с учетом анализа гидродинамики процесса для создания устойчивого кипящего слоя I = 12.74 м/с. 2) Г=623 К,3) w„ =0.8 кг/кг

Рост съема сухого npoujKia при уменьшении начальной влажности дрожжевой с\смензии (рис. 7) объясняется тем. что сокращается количество удаляемой влаги а. следователь но. и продолжительность процесса сушки, однако нижний предел начальной влажности oi р.шичен (и.,, = 0.8 кг/кг) квид) техноло! ических особенностей

Уровни

^Факторы

производства кормовых дрожжей и увеличения энергозатрат па диспергирование продукта при распылительной су иже и сушке в псевдоожиженном слое.

Рис 5 Схема экспериментальной установки 1 - водокольцевой вакуум-насос 2 - вентиль регулировки расхода сушильного агента. 3 - трубопровод. 4 -камера определения влажности и скорости сушильного агента 5 И - психрометры, 6 - электрокалорифер 7 -анемометр, 8 - мулыиметр 9- трубопровод нагретого теплоносителя 10 термопара «медь-константан», II-¡шемометр газораспрсдсли!ельная решетка, 12 сушильная камера. 13- пробоотборник, 14- секция ввода

сырья 16-рама. 17 пьезометрические трубки 18 - микроманометр, I поток сушильного агента, поступающего в калорифер, II - поток нагретого сушильного агента, Ш подача дрожжевой суспензии в сушильную камеру. IV - поток отработавшего сушильного агента

Я(Ч'„,К,Г)

(I- 1У„) 0.015

0,95

[(Л Г+ (71) V +<Г2 Г-С2) У + {-П Г +

+ СЗ)] и*,,"+[(^4 Т-С4) У~+(Г5 7>05) У + Т - Об)] ч<„ + + [(Г7 7ЧС7) Г-08) У + (Г9 Г-09)]

(15)

Рис 6 Кривые сушки кормовых дрожжей Рис 7 Поле значений удельного съема сухого

1 - при - 0 8 кг/кг. 2 - при и„ = 0 85 кг/кг продукта с единицы объема

3 при и„ = 0,9 кг/кг 1-7~=473 К, 2-7"= 551 К Ч-Г=623 К

С увеличением температуры теплоносителя производительность существенно увеличивается (рис. 7). но при этом увеличивается температура продукта, что не желательно особенно при низкой влажности и термовоздействие, которое учитывает не только величину температуры, но и время теплообмена, что определяет температ>ру продукта и его качественное изменение. Значение температуры сушильного а)ента лимитируется вследствие недопустимости термического разложения юрмолабильных компонентов кормовых дрожжей Анализ качественных показателей 1_у\их дрожжей, в рез\льгате комплекса экспериментов и теоретического

анализа технологических требований, позволил рекомендовать верхний предел температуры сушильного агента 623 К.

Полученные результаты (рис. 7) свидетельствуют о том, что при росте скорости сушильного агента интенсивность испарения влаги возрастает. Это объясняется увеличением активной поверхности кормовых дрожжей, скорости ее обновления и, как следствие увеличение кинетических коэффициентов тепло- и массоотдачи, а также достигается равномерный нагрев продукта и ускоряется отвод испаренной влаги из рабочей зоны сушки. Следовательно, для максимально возможной скорости сушки продукта процесс влагоудалеиия необходимо осуществлять при скорости, обеспечивающей интенсивное перемешивание кипящего слоя, но исключающей преждевременный унос продукта. Нижний предел скорости из анализа гидродинамики процесса составляет 10 м/с Верхний предел скорости сухих частиц соответствующий их уносу в устройства пылеулавливания и аспирации - 13 м/с, согласно экспериментальным исследованиям гидродинамики и кинетики сушки. Кроме того, расходы сушильного агента (скорость подачи) и продукта определяют размер частиц продукта при диспергировании, который определяет не только дробление, но и коапесценцию частиц прямо влияющих на гидродинамическую обстановку в камере и скорость обезвоживания.

Дисперсный анализ диаметров частиц проведенный путем визуального наблюдения и скоростной цифровой съемки, после компьютерной обработки позволил определить средний и медианный диаметры частиц = 3 им до обезвоживания и с1и ~ 0,5 мм после сушки. Эти характерные размеры были использованы при моделировании процесса сушки и усадки частицы Размер частицы не однозначно влияет на удельный съем сухого продукта, т.к. с одной стороны при уменьшении ее диаметра увеличивается поверхность тепло- и массоотдачи и сокращается время сушки (в знаменателе целевой функции), а с другой стороны уменьшается масса сухого продукта (в числителе целевой функции), что априори предполагает экстремум на зависимости целевой функции от диаметра и как следствие скорости сушильного агента и расхода продукта.

Ввиду наличия ряда характерных участков на кривых влагоудалеиия, рационально провести зональную аппроксимацию кривых сушки полиномиальной зависимостью в пределах каждой зоны, и аналитически получить уравнения кривых скорости сушки по зонам

Значения критических влажностей (концентраций) и скоростей сушки согласуются с результатами исследования статики процесса, структурными изменениями, связанными с начальным тепловым импульсом, инерционностью системы, разрушением полупроницаемых оболочек клеток и ячеек (парниковый эффект) повышением внутреннею давления и образованием молярных потоков пара процесса сушки. Используя уравнения скорости влагоудаления и зависимости кинетических коэффициентов сушки от различных факторов можно получить функциональные зависимости для продолжительности обезвоживания

Получены кривые скорости сушки для характерных зон (рис. 8) и аппроксимирующие зависимости скорости и кинетических коэффициентов сушки от варьируемых факторов для кормовых дрожжей.

Для математическою описания кривых сушки и скорости влагоудаления использован предложенный И.Ю. Алексаняном многозонный метод

На рис 8 представлены кривые скорости сушки кормовых дрожжей, полученные дифференцированием уравненнй кривых обезвоживания.

Рис 8 Кривые скорости конвективной сушки кормовых дрожжей в псевдоожиженном слое при различных

значениях влияющих факторов

Анализируя кривые скорости сушки, можно сделать выводы о механизме переноса влаги. Согласно термодинамическому анализу точки перегиба на кривых скорости сушки, должны соответствовать переходу к удалению влаги с другим качественным и энергетическим состоянием связи.

Возрастание скорости сушки в первом периоде свидетельствует о преимущественном испарении влаги внутрь часгицы (образование пузырька пара и пленки, в последствии твердой корочки - замкнутой ячейки), перемещение же влаги к поверхности через пленочный каркас происходит в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости, что приводит к постепенному увеличению скорости диффузии, возрастание которой определяется также увеличением градиента давления пара по радиусу частицы. Диффузия пара происходит в виде последовательных процессов конденсации пара и испарения влаги на жидких пленках с различной интенсивностью, по механизму (описанному A.B. Лыковым) движения пара через «закрытые» жидкостными менисками капилляры, где на одном мениске происходит испарение жидкости, а на другом - конденсация равного количества пара, при очень малом перепаде температуры вдоль капиллярной поры, т.е. испарение и конденсация происходили бы при одинаковой температуре, а количество испарившейся и сконденсировавшейся жидкости равно. Такой перенос пара внутри «закрытой поры» термодинамически равнозначен переносу жидкости На мениске или пленке изменяется температура при изменении давления, что обуславливает большую интенсивность испарения по сравнению с конденсацией (отвод энергии) с одной стороны пленки и, наоборот (подвод энергии), с другой.

В последних зонах (при низкой влажности) происходит плавный переход пленочной структуры в капиллярно-пористое тело ввиду высыхания пленок и их растрескивания, в результате чего образуется сеть микрокапилляров, движение пара через которые осуществляется путем эффузии Т к в частицах малого диаметра при образовании тонкой пленки и учете явления интенсивного испарения и дегазации раствора, имеющего тонкодисперсную структуру, приводит к практически равномерному объемному энергоподводу й испарению влаги внутрь пузырьков во всем объеме продукта.

Ниже приведены полученные зависимости для скорости (16), кинетических коэффициентов и границ характерных участков сушки (17) кормовых дрожжей в нсевдоожиженном состоянии:

(<'м(/г) и + в, ч)"\ (16)

где 4, и В, - кинетические коэффициенты с>шки. i - порядковый номер зоны с>шки:

Л Т-М Т + И2 ) Г + ^З, Гч А? )) и-,,2 +

+ ((^4, Г + Л4,) К2 +(^5, Т + И5,)1, + (%(>1 7"+ А6,))"'„+ , + ((«7, 7- + А7,) К2+(я8, Г + А8,) К + -7Т + Л9 )) В,-((Л, Т 11\,) С2 1- (<2, Т + 12)У + (П, 7" + /3,)) II'/ + + ((¿4, Г + /4,) К2 +(Л5, Г + /5,) К + ^б, /'+/6,))н„+ ; + ((/с7, /+П,)-У2+(к&, Т + 1Я,) У + (к9, Г + /9 ))

^к/, /гк,. £к„ /к, - эмпирические коэффициенты, к = 1-9. Границы характерных зон по влажности:

ЖА,=(я1, К + -(«2, К!+т2, К + р2 ) и>„ +

+ («Зу .К3 +/яЗ, К + рЗ,) где л!,, /и1,, я2„ т2(, /)2,. яЗ„ шЗ;, рЗ;. - эмпирические коэффициенты, к = 1-9;у -порядковый номер границы зоны сушки (граница 1-ой и 2-ой зон -у = 1, 2-ой и 3-ейу

В главе четвертой «Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя кормовых дрожжей в процессе сушки» изложены результаты экспериментально-аналитических исследований зависимости гидравлического сопротивления слоя высушиваемого продукта от влияющих на процесс сушки кормовых дрожжей параметров.

Для оценки точности измерений применялась статистическая [еория ошибок. Относительная погрешность среднего результата определения перепада давления не превышала е= 10%.

Рис 9 Зависимость гидравлического сопротивления Ар слоя продукта от времени г в процессе сушки при / — 423 К ! начальная влажность прод> кта н„ - 0 8 кг/кт, 2 - н„ ~ 0 85 кг/кг, 3 - ~ 0 9 кг/кг

Слой взвешенного раствора представляет собой систему с весьма сложными и многообразными физико-химическими и геометрическими характеристиками. Характер изменения кривых зависимостей гидравлического сопротивления от времени (рис. 9). с точки зрения наличия характерных точек перегиба, изменение наклона кривой на различных участках обезвоживания подобен кривым сушки не только по виду зависимости, но и значениям сингулярных влажностей продукта в точках перегиба, которые практически совпадают с критическими значениями влажностей и времени на кривых су шки Это объясняется тем, что гидравлическое сопротивление уменьшается при уменьшении влажности продукта, и как следствие, уменьшение характерного размера и массы, изменение пористости и соответственно плоIности частиц Кроме того, точки перегиба свидетельствуют изменению превалирующего ви^а и энергии свя!и у тапяемои влаги с материалом Так как базой и<учения кинешки и термодинамики обезвоживания является статика процесса

2)

сушки, которая определяется влажностью продукта (влажность продукта также является аргументом на кривых скорости сушки) интересно получение зависимостей гидравлического сопротивления именно 01 влажности продукта, а не от времени которое напрямую зависит от начальной влажности продукта, являющейся исходной независимой величиной, в большинстве случаев задаваемой исходя из технологических условий и ограничений, а также являющейся варьируемым параметром, который можно задать при выборе рационального способа обезвоживания и оптимизации процесса сушки.

Резулыагы определения гидравлического сопротивления в зависимости от времени, влажности при различных варьируемых параметрах, позволили получить аппроксимирующую математическую зависимость представленную ниже.

£>, =^1', Г2+Ыр, Т + с1",)-У2 +(а2",-Т2 +Ь2Р, Т + с2р,)у + + {аУ,-Т2 +ЬЗР, Т + сУ.)

£, =(04', Тг+Ь4г, Т + с4г,) V2 -г (а5р, 'Г2 + Ь5Р, Г + +

+ (аЬ'\ Т2+Ь6'\ -Т + сб",) = {а1р, Тг+Ыр, Т + с1р,) V2+(а%р, Т2+ЬЪР, Г + с$р,)у + Тг+Ь9", Т + с9",)

£>„ Е, и Г, - коэффициенты уравнения гидравлического сопротивления слоя продукта, г - порядковый номер зоны сушки; акр„ ск''„ - эмпирические коэффициенты, к =

Установлено также, что коэффициенты гидравлического сопротивления слоя продукта в аппроксимирующем уравнении Ар =/(и\ IV,,. Т. V) зависят в основном от скорости и температуры сушильного агента и практически не зависит от величины удельной нагрузки слоя.

Отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышало 1% В области движения сушильного агента с преобладанием сил инерции (Яе<2000) коэффициенты гидравлического сопротивления зависит от скорости сушильного агента, удельной поверхности слоя продукта, которая является функцией вл агосо держания.

Комплекс экспериментов позволил определить критическую скорость начала псевдоожижения (10 м/с), которую повышать не целесообразно, так как расход воздуха при данной скорости обеспечивает необходимые энергозатраты (тепловой баланс) на проведение процесса сушки, кроме того увеличение скорости приводит к повышению гидравлического сопротивления и мощности воздуходувок, увеличению высоты слоя, а следовательно габаритных размеров аппарата Зависимость критических перепадов давления от влияющих факторов (19), которые целесообразно использовать при значительном изменении исходной начальной влажности

Др, = Д - + £, 1С + ,

(1В)

где

1-9.

где с/к'',, гк''„Д^. - эмпирические коэффициенты:у - порядковый номер I раницы зоны сушки (граница 1-ой и 2-ой зон -] = 1, 2-ой и 3-ейу = 2), к = 1-9

Таким образом, используя аппроксимирующее уравнение зависимости целевой функции (удельного съема сухого продукта), кривых скорости сушки от влияющих факторов, а также гидравлические зависимости можно прогнозировать и оперативно управлять гидродинамическим режимом в процессе влагоудаления исходя из технологических ограничений и возможностей проведения процесса

В пятой главе «Моделирование процесса конвективной сушки диспергированных частиц с целью расчета температурных полей и массовлагообменных коэффициентов» реализована математическая модель процесса конвективной сушки в псевдоожиженном слое и получены массовлагообмеиные характеристики.

Ввиду сложности экспериментального определения полей температур в хаотично движущихся тонкодисперсных частицах при сушке в распыленном и псевдоожиженном состоянии, необходимо теоретическое определение температурных режимов в реальном процессе обезвоживания

При построении физической и математической моделей полагаем, что энергоподвод осуществляется для частицы малого диаметра (принимаем частицу шарообразной) в равной степени по всей поверхности частицы, поэтому за абсциссу, от которой зависит температурная функция можно принять радиус частицы При этом можно не использовать полярные координаты, т.к эволюция температур не зависит от угла и направления энергоподвода В нашем случае усадка неизбежна и существенна, поэтому целесообразно учитывать ее дискретно (ступенчато), что предполагает метод конечных разностей (численное решение), которыми заменяются дифференциальные изменения. При этом конечные условия (распределение температур по радиусу частицы) предыдущего участка, являются начальными для последующего За вторую координату при составлении разностной сетки берется время сушки или связанная с ней влажность продукта (экспериментальные данные) Окончательная совместная компоновка эволюций температур на каждом участке позволяет получить общее поле температур в процессе сушки и динамику изменения влагообменных коэффициентов Так как точную зависимость размера частицы от влажности определить невозможно, принимаем линейное изменение диаметра, который определен экспериментально на основе дисперсного анализа

Отмечено, чем ближе к поверхности частицы, тем меньшее сопротивление диффузии влаги оказывает система пор и ячеек, поэтому можно принять, что в поверхностном слое (от центра до поверхности) происходит линейная релаксация избыточного давления, что является одним из допущений, в разработанной И Ю Алексаняном методике определения коэффициентов массопроводности и молярного переноса пара в неизотермических условиях Однако преимущественное значение градиента давления не исключает движение влаги (пара) под действием градиента температуры.

Уравнение переноса тепла при одномерной задаче в случае объемного энергоподвода имеет вид'

ср(х,1 = + г Г) р{»а,Т) + Г(*,х.Т) (20)

При отсутствии вн> греннего источника тепла (И (ч л Т) = 0). подставляя вместо Эи /0г дифференциатьное изменение средней по слою втжности ёы/дт . и приняв коэффициент фазовых превращений е = I (перенос влаги происхоаит в основном в

виде пара при изотропности структуры, чго позволяет вынести I (ш, Т) за знак дифференциала, т.к. ТФХ не зависят от х) Разделив уравнение (17) на cp(w,Т) и dw/dr = /(IV) получим:

дТ а д2Т г р ....

— ----- + ——. (21)

dw dw дт дх ср

В нашем случае имеют место граничные условия второго рода:

- а(токр среоы - Лг - о (поверх )), (22), где а - коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м2К) Обозначим: х - координата глубины частицы, м; / - диаметр частицы, м; Т„кГЧХ/>ы - температура окружающей среды, К; (Tr_0(,um¡n) - температура на поверхности частицы, К.

Решением уравнения (21) при краевых условиях является функция t = f{x,t,w„,t,v). Расчеты проводились по зонам сушки, при замене влажности w концентрацией сухих веществ с.

При решении одномерного уравнения параболического типа отдают предпочтение неявным схемам, которые, безусловно, устойчивы при любом соотношении шагов по х и с.

Уравнение переноса массы в общем виде при одномерной задаче'

ди д2и . д2т д2р ,ди ,„.

Spam—,ap— + (^e)-, (23)

где для высокоинтенсивной сушки при е = 1, слагаемое (l - е)/(ди/дт), учитывающее перенос влаги в жидкой фазе стремится к нулю, тогда суммарные коэффициенты, учитывающие перенос влаги: а,„ - коэффициент паропроводности, м2/с; a¡ - ап1 8р - коэффициент термодиффузии. м2/(с-К); ар - коэффициент молярного переноса пара, м2/(с-Па) Ограничив диапазон изменения координаты глубины частицы границами, в которых Т ~ const ; 57"/дх = const решая обратную задачу, используя связь давления Р и температуры Т пара и приняв, что Р в частице равно насыщенному до середины исследуемой зоны, а от середины зоны до поверхности продукта линейно релаксируст до давления в камере, при замене второй производной давления по координате слоя конечной разностью для коэффициента молярного переноса пара для всестороннего энергоподвода получим'

7,S(;05íc-273) 7,5(70 2,,t-273)

2443 ю -4886 10 /o2W' ~35

,(24)

1де Ркш, - давление в камере, Па; / - диаметр частицы, м; индексы при температуре, обозначают координаты точки в сетке по х и с.

Температура Т и вторая производная д: Т /дх' выбирается и рассчитывается в узловых точках автоматически по матрице температур. Для расчета коэффициента влагопроводности выбираем за зону радиус частицы при симметричном энергоподводе, где условия нельзя считать изотермическими, те. ди/дх^О; дТ/Рх*0. При замене второй производной давления по координате конечной разностью, из 2-го слагаемого уравнения (23) рассчитываем коэффициент влагопроводности (25):

дс / , ЗгЛ

2443 10

4886 10

75(Г„-„ -:«) I,

+ 4 Р

д'Т дх2

Таким образом, проведен анализ полей температур (рис 10) и определены зависимости массовлагообменных характеристик от влияющих параметров путем физико-магматического моделирования тепломассообмепых процессов и ею численной реализации при сушке кормовых дрожжей в псевцоожиженном состоянии.

Температурный режим обеспечивает «мягкие» режимы сушки, что подтверждав! анализ расчетных данных (Т не превышает 370 К) Отмечены периодические скачки температуры, которые соответствуют пикам скорости сушки Уменьшение температуры при росте скорости объясняется затратой энергии на фазовый переход, при высвобождении структурной влаги На участках с неизменной температурой удаляется свободная влага, что подтверждено еще в классических работах по сушке Рост температуры наблюдается при расширении структурной влаги в замкнутых объемах (закрытых жидкостными менисками капиллярах и клетках) - парниковый эффект при снижении скорости сушки Ото подтверждает предположения и выводы о механизме обезвоживания.

Рис 10 1 емпературное поле при радиусе частицы / - 0 0015 м, температуре теплоносителя / =553 К. скорости теплоносителя К = 10,82 м/с, с, г - номера шаюв (Лс по осям с (концентрация) и V (глубина частицы) размер шага -отношение диапазона варьирования (по с 0 15-0 9 кг/кг по \ при 6 = 0,15-0,3. г -0,0015м с = 0 3-0,45 » = 0,0012м с = 0 45-0 6, \ - 0 0009 ч с - 0 6-0 75, г -0 0006 V с - 0 75-0 9 \ - О ООО"! м)

В шестой главе «Рекомендации по практическом} использованию результатов исследований для совершенствования процесса сушки кормовых дрожжей» приведены области применения результатов диссертационной работы, пути совершенствования процесса сушки кормовых дрожжей, пояснен рекомендованный рациональный режимы и способ обезвоживания жидких продуктов в диспергированном состоянии без использования инертных тел и его сравнение с традиционными способами

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Предложен рациональный метод конвективной сушки в псевдоожиженном состоянии без использования инертных тел, который позволяет повысить скорость непрерывного обезвоживания при «бережных» режимных параметрах, сравнительно низких энергозатратах и высоком качестве ютовой продукции:

2. Для оценки характера и продолжительности обезвоживания были систематизированы и обобщены тсплофизические и структурно-механические характеристики кормовых прожжей с использованием литературных и эксперимен!альных данных получены аппроксимирующие уравнения зависимости ТФХ и ОМС от температуры и влажности продукта цля реальных диапазонов обезвоживания с целью облегчения их оперативного применения в инженерных расчетах и ма1емашческом моделировании процесса

3 Термодинамический анализ статики процесса сушки показал, что энтропийная составляющая свободной энергии для кормовых дрожжей играет значительную роль и свидетельствует о наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок капилляров) и ориентационном, структурном (иммобилизационном) и осмотическом механизме их взаимодействия с водой Отрицательное значение свободной энергии во всей области свидетельствует о сильном набухании и частичном растворении при больших значениях активности воды.

4. Выявлено, что гидравлическое сопротивление уменьшается при уменьшении влажности продукга, и как следствие, уменьшение характерного размера и массы, изменение пористости и соответственно плотности частиц. Получены аппроксимирующие математические зависимости гидравлического сопротивления и критических перепадов давления от времени, влажности при различных варьируемых параметрах. Определены и обоснованы критические скорости начала псевдоожижения и уноса с учетом интенсивности процесса сушки и энергозатрат.

5. Получены зависимости удельного съема сухого продукта от режимных параметров на основе анализа механизма внутреннего тепломассопереноса, в результате предложен рациональный способ конвективной сушки кормовых дрожжей в диспергированном состоянии.

6. Получены уравнения зависимостей кинетических коэффициентов при зональной аппроксимации кривых скорости влагоудаления в псевдоожиженном состоянии с учетом реальных технологических параметрических ограничений и динамики процесса сушки.

7. Проведен анализ полей температур и определены зависимости массовлагообменных характеристик от влияющих параметров путем физико-математического моделирования тепломассообменых процессов и его численной реализации при сушке кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии;

8. Разработаны и изготовлена оригинальная опытная установка для изучения кинетики конвективной сушки диспергированных продуктов и методика проведения экспериментов, усовершенствована методика расчета промышленной установки для сушки кормовых дрожжей, рекомендована рациональная конструкция сушилки с кипящим слоем жидкого продукта без использования инертных тел.

Таким образом, результаты и рекомендации, полученные на основе проведенных исследований. могут быть использованы при создании, совершенствовании и интенсификации прогрессивных технологических процессов и высокоэффективных промышленных установок для кормовой, пищевой и смежных с ними отраслей промышленности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алексанян И.Ю., Максимени^Ю.А. Исследование процесса сушки при утилизации отходов спиртового и пивного производств // Известия вузов. Пищевая технология. 2004. № 4. С. 59-62. Но списку ВАК РФ.

2. Максименко Ю.А., Синяк C.B. Кинетика сушки кормовых продуктов растительного происхождения // Вестник АГТУ. 2005. № 2(25). С. 267 - 271. По списку ВАК РФ.

3. Синяк C.B., Максименко Ю.А Физико-химические и теплофизические свойства кормовых продуктов // Вестник АГТУ. 2005. № 2(25). С. 272 - 277. По списку ВАК РФ.

ZUUO-4

29892

4. Алексанян И.Ю., Максименко Ю.А. Оптимизация процессов переработки отходов спиртового и пивоваренного производств / Материалы II Международной научно - технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». Воронеж: ВГТА, 2004. С. 327-328.

5. Алексанян И.Ю., Максименко Ю.А. Изучение массообмена в процессе разделения многокомпонентных смесей // Вестник АИНиГ. Атырау. 2004. №5. С. 9499.

6. Алексанян И.Ю., Максименко Ю.А. Интенсификация тепломассообмена при сушке продуктов микробиологического синтеза на базе изучения статики, кинетики и гидродинамики обезвоживания кормовых дрожжей в распыленном и псевдоожиженном состоянии / Материалы IV Международной конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем». Вологда: ВолГТУ, 2004. С. 109-113.

7. Алексанян И.Ю, Максименко Ю.А., Хайбулов P.A. Анализ основных термодинамических закономерностей взаимодействия с водой и теплофизических характеристик растительных экстрактов и продуктов микробиологического синтеза / Материалы Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания». Барнаул: АлтГТУ, 2004. С. 22-27

8. Максименко Ю.А., Хайбулов P.A., Азизова Г.У. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов микробиологического синтеза с водой / Материалы II Всероссийской научно - технической конференции -выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». М.. МГУПП, 2004. С. 71-76.

9. Алексанян И.Ю., Синяк C.B., Максименко Ю.А. Моделирование осциллирующих рациональных режимов сушки / Материалы Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Казань: КГТУ, 2005. т. 9. С. 143-145.

10. Максименко Ю.А., Синяк C.B., Хайбулов P.A. Механизм внутреннего тепломассопереноса на основе экспериментально-аналитического изучения аномальной кинетики обезвоживания для продуктов животного и растительного происхождения / Труды Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)». М.: МЭИ, 2005. Т. 1. С. 301-303.

П. Максименко (O.A., Синяк C.B., Хайбулов P.A. Механизм и аномальные термодинамические особенности статического взаимодействия пищевых продуктов с водой / Труды Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» М.: МЭИ, 2005. Т. 2. С. 110-113.

Типография АГТУ

414025 г. Астрахань, ул. Татищева, 16 заказ № 722 тираж 100 экземпляров Подписано в печать 22.11.2005

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНЫХ И НАУЧНЫХ ПРОБЛЕММ СУШКИ КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ

1.1 Перспективы производства и области использования кормовых дрожжей

1.2 Общая характеристика кормовых дрожжей 11 ф 1.3 Структурно-механические, физико-химические и биологические характеристики кормовых дрожжей

Вязкость

Поверхностное натяжение

Структурно-механические характеристики

Термоустойчивость

Ксероустойчивость

1.4 Выбор перспективного способа сушки и конструкторских решений для его осуществления

ГЛАВА

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ С ВОДОЙ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ,

ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

2.1 Теплофизические и структурно-механические характеристики кормовых дрожжевых концентратов

2.2 Механизм взаимодействия кормовых дрожжей с водой

2.3 Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии кормовых дрожжей с водой

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ

НА ИНТЕНСИВНОСТЬ СУШКИ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ И АНАЛИЗА КИНЕТИКИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ 69 3.1 Экспериментальное изучение кинетики сушки кормовых дрожжей в дисперигированном состоянии

Описание экспериментальной установки

Планирование и погрешность экспериментов

Определение зависимости интенсивности сушки от Л влияющих факторов

3.2 Совершенствование тепломассообменных процессов и влияние основных факторов на процесс сушки кормовых дрожжей 80 Влияние начальной влажности кормовых дрожжей

Влияние скорости сушильного агента

Влияние температуры сушильного агента

3.2 Тепломассообмен при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии

Обработка экспериментальных данных по кинетике сушки

Анализ механизма тепломассопереноса

ГЛАВА

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ

ГЛАВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ С ЦЕЛЬЮ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И МАССОВЛАГООБМЕННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

ГЛАВА

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

ОБЩИЕ ВЫВ ОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В животноводстве и птицеводстве, существует проблема обеспечения кормового рациона белком, витаминами и другими ценными компонентами, ввиду их дефицита в традиционно используемых комбикормах.

В настоящее время утилизации отходов производства спирта с точки зрения использования ценных белковых компонентов и экологической безопасности, вследствие их токсичности уделяется большое внимание. В этой связи очевидна целесообразность исследований, направленных на разработку и совершенствование методов получения вторичных продуктов из отходов спиртового производства. Одним из таких продуктов являются кормовые дрожжи, получаемые при микробиологическом синтезе послеспиртовой барды, обладающей высокой питательной ценностью.

Использование кормового сырья в рационах сельскохозяйственных животных и птиц, предъявляет высокие требования к качеству готового продукта, которое обуславливало бы, во-первых, необходимое содержание белковых и других ценных компонентов, а во-вторых, длительное хранение. Также очевидной представляется необходимость снижения расходов на транспортировку кормов, так как спиртовые заводы располагаются преимущественно в городской черте.

За последние десятилетия предложены разнообразные технологии кормовой продукции, однако их внедрение и надежное функционирование требует тщательного технико-экономического обоснования и сдерживается отсутствием надежных способов и аппаратов для сушки, являющейся заключительной и наиболее энергоемкой операцией в технологическом процессе. Известно, что максимальный экономический эффект достигается при микробиологическом выращивании на основе барды кормовых дрожжей, представляющих высокоценный белково-витаминный продукт. Таким образом, совершенствование тепломассообменных процессов при производстве кормовых дрожжей актуально и представляет научный и практический интерес.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров» под руководством д.т.н., проф. И.Ю. Алексаняна в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование».

Целью работы является получение рациональных режимных параметров проведения процесса сушки кормовых дрожжей в диспергированном состоянии для обоснованного выбора высокоэффективного сушильного оборудования и метода его расчета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выбор перспективных направлений интенсификации тепломассообмена при сушке кормовых дрожжей на основе технико-экономического анализа способов сушки и конструкторских решений для их осуществления; исследование путем комплексных натурных экспериментов и теоретического обобщения литературных данных теплофизических (ТФХ), физико-химических (ФХС), структурных и массовлагообменных характеристик, а также изучения термодинамики статического взаимодействия кормовых дрожжей с водой;

- экспериментально и теоретически исследовать гидродинамику процесса псевдоожижения при сушке кормовых дрожжей;

- выбор и обоснование рациональных режимных параметров и способа энергоподвода в процессе, обезвоживания с учетом влияния основных факторов на интенсивность конвективной сушки кормовых дрожжей в кипящем слое;

- выявление особенностей механизма внутреннего тепломассопереноса при сушке в псевдоожиженном состоянии на основе экспериментальных и теоретических исследований;

- анализ полей температур и определение зависимости массовлагообменных характеристик от влияющих параметров путем физико-математического моделирования тепломассообменых процессов при сушке кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии;

- рекомендации по практическим методам интенсификации и расчета тепломассообмена в процессах сушки диспергированных кормовых дрожжей и конструкторским решениям для их реализации.

Исходя из поставленной цели и задач, решение которых необходимых для ее достижения, можно определить структуру диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен рациональный метод конвективной сушки в псевдоожиженном состоянии без использования инертных тел, который позволяет повысить скорость непрерывного обезвоживания при «бережных» режимных параметрах, сравнительно низких энергозатратах и высоком качестве готовой продукции;

2. Для оценки характера и продолжительности обезвоживания были систематизированы и обобщены теплофизические и структурно-механические характеристики кормовых дрожжей с использованием литературных и экспериментальных данных, получены аппроксимирующие уравнения зависимости ТФХ и CMC от температуры и влажности продукта для реальных диапазонов обезвоживания с целью облегчения их оперативного применения в инженерных расчетах и математическом моделировании процесса;

3. Термодинамический анализ статики процесса сушки показал, что энтропийная составляющая свободной энергии для кормовых дрожжей играет значительную роль и свидетельствует о наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок капилляров) и ориентационном, структурном (иммобилизационном) и осмотическом механизме их взаимодействия с водой. Отрицательное значение свободной энергии во всей области свидетельствует о сильном набухании и частичном растворении при больших значениях активности воды.

4. Выявлено, что гидравлическое сопротивление уменьшается при уменьшении влажности продукта, и как следствие, уменьшение характерного размера и массы, изменение пористости и соответственно плотности частиц. Получены аппроксимирующие математические зависимости гидравлического сопротивления и критических перепадов давления от времени, влажности при различных варьируемых параметрах. Определены и обоснованы критические скорости начала псевдоожижения и уноса с учетом интенсивности процесса сушки и энергозатрат.

5. Получены зависимости удельного съема сухого продукта от режимных параметров на основе анализа механизма внутреннего тепломассопереноса, в результате разработан рациональный способ конвективной сушки кормовых дрожжей в диспергированном состоянии.

6. Получены уравнения зависимостей кинетических коэффициентов при зональной аппроксимации кривых скорости влагоудаления в псевдоожиженном состоянии с учетом реальных технологических параметрических ограничений и динамики процесса сушки.

7. Проведен анализ полей температур и определены зависимости массовлагообменных характеристик от влияющих параметров путем физико-математического моделирования тепломассообменых процессов и его численной реализации при сушке кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии;

8. Разработаны и изготовлена оригинальная опытная установка для изучения кинетики конвективной сушки диспергированных продуктов и методика проведения экспериментов, усовершенствована методика расчета промышленной установки для сушки кормовых дрожжей, рекомендована рациональная конструкция сушилки с кипящим слоем жидкого продукта без использования инертных тел.

Работа отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций.

Результаты полученные в диссертационной работе приняты к использованию и дальнейшему внедрению на предприятии ОАО «Астраханский спиртзавод», где анализ рекомендаций, приведенных в работе показал высокий научно-технический уровень, а также подтвердил актуальность исследований и экономическую эффективность внедрения результатов работы, что подтверждено предварительным технико-экономическим расчетом.

Таким образом, результаты и рекомендации, полученные на основе проведенных исследований, могут быть использованы при создании, рационализации и интенсификации прогрессивных технологических процессов и высокоэффективных промышленных установок для кормовой, пищевой и смежных с ними отраслей промышленности.

1. Авт. свид. СССР № 596798, 1976; Бюл. изобрег., 1977, № 19.

2. Акулич П.В. Разработка активных термогидродинамических режимов сушки дисперсных материалов и научные основы из расчета. Автореф. дисс. докт. техн. наук. Минск. Белорус, национ. технич. университет. 2002. С.54-58.

3. Алексанян И.Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.гМГУПБ, 2001 г. - 52 с.

4. Алексанян И.Ю., Синяк С.В., Максименко Ю.А. Моделирование осциллирующих рациональных режимов сушки // Материалы Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». ММТТ-18. Казань, 2005. т. 9. С. 143-145.

5. Алексанян И.Ю., Буйнов А.А. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка. Теория. Практика. Моделирование, Монография. /Изд-во АГТУ. Астрахань.2005 г.

6. Базаров В.Г. А. с. 266124 Бюл. изобр., 1970, № 11, с.39.

7. Бармашев В.А., Романков П.Г., Яблонский П.А. О гидравлическом сопротивлении псевдоожиженного слоя мелкозернистого материала в аппарате со щелевидным горизонтальным подводом газа. -ТОХТ, 1974, №3, С. 131.

8. Беккер М.Е. Обезвоживание микробной биомассы. Рига: Зинатне, 1967.-364 с.

9. Бокин И.А., Михайлик В.Д. В сб.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции по дальнейшему совершенствованию теории, техники и технологии сушки. Ч. 4. Минск: 1981, С.79-80.

10. Бородин В.А. и др. Распыливание жидкостей. М., Машиностроение, 1967. 208 с.

11. Браунштейн Б.Ц., Тодес О.М. Гидравлика слоя твердых частиц, взвешенных в восходящем потоке газа. Нефтяное хозяйство, 1951, т. 29, №4, С. 32.

12. Брунауэр С. и др. Адсорбция газов и паров / С. Брунауэр, Р.Эммет, Е.Теллер, М.: Иностранная литература, 1948. - 849 с.

13. Буйнов А.А. и др. Гигроскопические свойства рыбных белковых гидролизатов, высушенных во вспененном состоянии / Буйнов А.А., Гинзбург А.С., Сыроедов В.И.// Известия вузов СССР. Пищевая технология. 1977. - № 5. - С.87-90.

14. Буйнов А.А. и др. Термодинамика рыбных гидролизатов /Буйнов А.А., Гинзбург А.С., Сыроедов В.И. // Известия вузов СССР. Пищевая технология. 1982 .-№6.-С. 87-90.

15. Буйнов А.А. Исследование процессов пеносушки рыбных пищевых гидролизатов / Автореф. дис. канд.техн. наук. М., 1977. - 29 с.

16. Бурминский Э.П. и др. А. с. 876179. Бюл. изобр., 1981, № 40. С. 38.

17. Вахрушев И.А. О коэффициенте лобового сопротивления частиц при стесненном осаждении в псевдоожиженном слое. Химическая промышленность, 1966, №6. С. 471.

18. Вахрушев И.А. Общее уравнение для коэффициента лобового сопротивления частиц различной изометрической формы при относительном движении в безграничной среде. Химическая промышленность, 1965, №8. С. 614.

19. Вешкурцев П.А. А. с. 895526. Бюл. изобр., 1982, № 1. С. 23.

20. Витман JI.A. и др. Распыливание жидкости форсунками. М., Госэнергоиздат, 1962. 264 с.

21. Вода в пищевых продуктах / Под ред. Р.Б.Дакуорта: пер. с англ. М.: Пищевая промышленность - 1980 - 575 с.

22. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии . М: Химия, 1976. - 512 с.

23. Выговский Г.А., Хорошков Ю.Ф. А. с. 579028. Бюл. изобр., 1977, № 41. С. 39.

24. Вязиков Б.П. и др. А. с. 657858. Бюл. изобр., 1979, № 15.

25. Гаврилин А.В., Полякова Г.А. Исследование вязкостных свойств дрожжевой суспензии применительно к процессу выпаривания. // Тр.

26. ВНИИИбиотехники. Автоматизация управлением промышленным биосинтезом. Аппаратура и технология культивирования.- 1979.-Вып.1. С. 149-154.

27. Гал С. Последние достижения в области методов определения изотерм сорбции / Дакуорт Р.Б., Гал С. Вода в пищевых продуктах .- пер. с англ. М; Пищевая промышленность, 1980. С. 110-125.

28. Галустов B.C. и др. А. с. 531549. Бюл. изобр., 1976, № 38. С. 73.

29. Галустов B.C. и др. А. с. 611683. Бюл. изобр., 1978, № 23. С. 27.

30. Галустов B.C. и др. А. с. 673318. Бюл. изобр., 1979, № 26. С. 41.

31. Галустов B.C. и др. А. с. 770555. Бюл. изобр., 1980, №36.

32. Галустов B.C. и др. А. с. 784933. Бюл. изобр., 1980, №45.

33. Галустов B.C. и др. А. с. 856570. Бюл. изобр., 1981, №31.

34. Галустов B.C. и др. А. с. 876180. Бюл. изобр., 1981, №40. С. 67.

35. Галустов B.C. и др. А. с. 925413. Бюл. изобр., 1982, № 17. С. 39.

36. Галустов B.C., Шувалов В.В. А. с. 621386. Бюл. изобр., 1978, № 32.

37. Гальперин Н.И., Аинштеин В.Г., Кваша В.Б. Основы техникипсевдоожижения. М.: Химия, 1967. - 664 с.

38. Гамаюнов Н.И. Исследование сорбированной влаги на органических материалах. / Торфяные и водные ресурсы Верхневолжья и их использование.-Калинин: Калининский ГУ, 1980.- С. 19 42.

39. Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические характеристики картофеля, овощей и плодов. М.: Агропромиздат, 1987, 272 с.

40. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. -М.: Пищевая промышленность, 1975 527 с.

41. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. -М.: Агропромиздат, 1985.-336 с.

42. Гинзбург А.С. Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 280 с.

43. Гинзбург А. С., Резчиков В.А. Основные аэродинамические и структурные характеристики псевдоожиженного слоя зерна. ИФЖ, 1965, т. 5, № 5. С. 55.

44. Глинка Н, Робинзон А. Влажность и её определение / Хранение зерна и зерновых продуктов, М.: Изд-во ин. лит-ры, 1956.

45. Головачевский Ю.А. Оросители и форсунки скрубберов химической промышленности. М., Машиностроение, 1974. 270 с.

46. Горошко В.Д., Розенбаум Р.Б., Тодес О.М. Приближенные закономерности гидравлики взвешенного слоя и стесненного падения. Известия вузов СССР. Нефть и газ, 1958, № 1. С. 125.

47. ГОСТ 20083-74. Дрожжи кормовые. Технические условия.

48. Грануляция сушкой дрожжевой суспензии в кипящем слое / С.Э. Ляндерс, В.И. Новицкий, В.А. Будков и др.. // Микробиологическая промышленность.-1977.-№ 1 .-С. 10-12.

49. Гупало Ю.П. О некоторых закономерностях псевдоожиженного слоя и стесненного падения. ИФЖ, 1962, т. 5, № 1. С. 96.

50. Гуськов В.А. Обогащение каменного угля. Харьков; Киев: Укр. Гос. научно-техническое изд-во, 1934. - 360 с.

51. Данилов О.Л., Леончик Б.И. Экономия энергии при тепловой сушке. М.: Энергоатомиздат, 1986, 134 с.

52. Девидсон И., Харрисон Д. Псевдоожижение. М.: Химия, 1974. - 725с.

53. Дементьев В.М., Графман С.Я. Некоторые вопросы ожижения крупных частиц. ТОХТ, 1975, № 9. С. 470.

54. Дитякин Ю.Ф. и др. Распыливание жидкостей. М., Машиностроение, 1977. 208 с.

55. Долинский А.А., Малецкая К.Д., Шморгуи В.В. Кинетика и технология сушки распылением. Киев: Наукова думка, 1987. 220 с.

56. Ересько А.Ф. и др. А. с. 835504. Бюл. изобр., 1961, № 21. С.65.

57. Заварин Н.Д. и др. А. с. 567505. Бюл. изобр., 1977, № 29. С. 56.

58. Заварин Н.Д. и др. А. с. 584897. Бюл. изобр., 1977, № 47. С. 54.

59. Заварин Н.Д. и др. А. с. 706132. -Бюл. изобр., 1979, № 48. С. 76.72; Заварин Н.Д., Галустов B.C. А. с. 680766. Бюл. изобр., 1979, № 31. С.69.