Анализ тепло-массообменных процессов в кристаллизаторе с циклическими температурными режимами

Куленко Владимир Георгиевич; Шевчук Владимир Борисович; Славоросова Елена Викторовна; Продан Дарья Александровна; Качалова Елена Александровна; Фиалкова Евгения Александровна

УДК 532.785

Анализ тепло-массообменных процессов в кристаллизаторе с циклическими температурными режимами

Куленко Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, доцент e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО "Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Шевчук Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Славоросова Елена Викторовна, магистрант e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Продан Дарья Александровна, аспирант e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Качалова Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Фиалкова Евгения Александровна, доктор технических наук, профессор e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Аннотация. Проведен анализ тепло и массообменных процессов в кристаллизаторе с воздушным и водяным охлаждением и подогревом в зависимости от продолжительности цикла работы.

Ключевые слова: Кристаллизатор, воздушное охлаждение; воздушный подогрев, циклические температурные режимы кристаллизации.

В кристаллизаторе с циклическими температурными режимами работы процесс кристаллизации протекает в двух вертикальных колонках, в которых происходит периодически сменяющийся нагрев и охлаждение кристаллизата. Циклический температурный режим позволяет интенсифицировать процесс кристаллизации и одновременно осуществлять концентрацию кристаллизата. Охлаждение и нагревание колонок производится с помощью холодного и горячего воздуха, а также горячей и холодной воды. Для одновременного получения горячего и холодного воздуха применяется вихревое устройство Ранка-Хильша. Проведенные ранее расчеты и эксперименты показали, что одно воздушное охлаждение и нагревание не позволяет достаточно быстро сконцентрировать кристаллизат до требуемых для нормального процесса кристаллизации 50-ти процентного содержания сухих веществ [1-4]. При этом процесс кристаллизации продолжается 24 часа, а содержание сухих веществ в кристаллизате повышается с 45-50 % до 55-57 %.

Целью работы является анализ возможности интенсификации процесса кристаллизации и обеспечения замены дорогостоящего и энергоемкого вакуум-выпаривания исходной сыворотки на мембранное концентрирование с последующей концентрацией ее в кристаллизаторе. Для интенсификации процессов концентрирования сыворотки и кристаллизации одновременно с воздушным циклическим нагревом и охлаждением колонок кристаллизатора предусмотрено дополнительное их водяное охлаждение и нагревание.

Принцип действия аппарата заключается в следующем. В одну колонку сквозь слой кристаллизата по касательной к внутренней стенке аппарата барботируется холодный воздух, в другую - горячий. Кроме того, для интенсификации процессов охлаждения и нагревания колонок горячая колонка дополнительно обогревается горячей водой, а холодная - холодной. По истечении половины цикла срабатывает временная программа и, благодаря средствам автоматизации, происходит смена подачи воздуха и воды. Холодный воздух и соответственно, холодная вода перебрасываются в нагретую за первый период цикла колонку, а горячий воздух и горячая вода - в охлажденную. При этом холодная колонка начинает нагреваться, а горячая - охлаждаться

Устройство аппарата включает две колонки, внутри которых расположены бар-ботеры, представляющие собой перфорированные цилиндрические вставки, через которые подается горячий воздух с температурой 60 оС и холодный воздух с температурой 0 оС. Отверстия в барбатере располагаются по касательной к внутренней поверхности колонки. Такая конструкция барбатера позволяет придавать вращательное движение как барботируемому воздуху, так и продукту внутри колонки. В результате интенсифицируется теплопередача между воздухом и кристаллизатом. Горячий и холодный воздух получается при прохождении воздуха с комнатной температурой через вихревую трубу Ранка-Хильша. Заполнение аппарата осуществляется через верхние крышки. Готовые кристаллы удаляются из колонок через специальные штуцера. Одновременно с воздухом в рубашку каждой колонки подается горячая или ледяная вода. В рубашке имеется направляющая винтовая перегородка, благодаря которой, вода циркулирует, закручиваясь в противоположную сторону от вращения продукта в колонке.

Для анализа возможности интенсификации процесса кристаллизации и обеспечения замены дорогостоящего и энергоемкого вакуум-выпаривания исходной сыворотки на мембранное концентрирование с последующей концентрацией ее в кристаллизаторе были проведены расчеты, позволяющие проанализировать изме-

нение процентного содержания сухих веществ в кристаллизате в зависимости от продолжительности одного цикла его работы. Еще раз отметим, что один цикл работы каждой колонки складывается из двух периодов в течение одного из которых происходит нагревание колонки, а в течение другого - ее охлаждение. Анализировалась циклическая работа каждой колонки кристаллизатора с четырьмя различными режимами, отличающимися продолжительностью одного цикла (1, 2, 3 и 4 часа) при общей продолжительности работы кристаллизатора 7,5-8 часов.

В таблице приведен пример расчета для первой половины одного цикла работы кристаллизатора, продолжительностью 1 час для следующих исходных данных: коэффициент поверхностного натяжения на границе воздушного пузырька и кристаллизата 42,5^10-3 Н/м; кинематическая и динамическая вязкость кристал-лизата 16,16-10-6м2/с и 21^10-3 Па^с соответственно; удельная теплоемкость кристаллизата 3290 Дж/(кг-°С); теплопроводность кристаллизата 0,6 Вт/(м-К); удельная теплота парообразования 2,38-106 Дж/кг; теплопроводность воздуха 0,026 Вт/ (м-К); плотность воздуха 1,2 кг/м3; коэффициент теплопередачи между воздушным пузырьком и кристаллизатом 8 Вт/(м2-К); объем колонки кристаллизатора 10 м3; расход горячего воздуха в колонке 0,0036 м3/с.; расход холодного воздуха в колонке 0,0012 м3/с.; общая площадь поверхности пузырьков находящихся одновременно в нагревающейся колонке 8, м2; общая площадь поверхности пузырьков находящихся одновременно в охлаждающейся колонке 2,8 м2; температура горячего воздуха 60 °С; температура холодного воздуха 0 °С; коэффициент теплопередачи теплоносителя (воды) 249,4 Вт/м2-К; площадь поверхности теплообмена

0,196 м2, температура горячей воды 90 °С; температура ледяной воды 1 °С.

Таблица 1

Нагревающаяся колонка

Время, мин. 0 5 10 15 20 25 30

Влажность поступающего воздуха 0,008 0,064 0,141 0,154 0,153 0,153 0,153

Температура кристаллизата, °С 10 44,10 57,25 58,75 58,63 58,64 58,64

Унос массы влаги воздухом, кг 0 0,011 0,083 0,183 0,2 0,199 0,199

Плотность кристаллизата -10_3 кг/м3 1,14 1,139 1,139 1,141 1,142 1,143 1,144

Масса кристаллизата, кг 13

Масса сухих веществ , кг 3,9 3,903 3,928 3,984 4,045 4,107 4,169

Сухие вещества, % 30 30,03 30,22 30,64 31,11 31,60 32,07

охлаждающаяся колонка

Время, мин. 0 5 10 15 20 25 30

Влажность воздуха 0,166 0,035 0,017 0,011 0,008 0,007 0,006

Температура кристаллизата, °С 60 34,06 22,04 14,21 9,15 5,93 3,90

Унос массы влаги воздухом, кг 0 0,072 0,015 0,007 0,005 0,003 0,003

Плотность кристаллизата -10'3 кг/м3 1,138 1,140 1,141 1,141 1,142 1,142 1,142

Масса кристаллизата, кг 13

Масса сухих веществ , кг 3,9 3,922 3,926 3,928 3,930 3,931 3,932

Сухие вещества, % 30 30,17 30,20 30,22 30,23 30,24 30,24

На графике приведена зависимость содержания сухих веществ от времени для всех исследуемых циклов работы.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 1 час, за 7 циклов работы, содержание сухих веществ достигает только 45 % . Поскольку необходимое содержание сухих веществ в 50 % не достигается, то данный режим работы нельзя признать эффективным, так как для достижения оптимальных 50 % концентрации потребуется еще дополнительное время.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 2 час, за 3 цикла работы содержание сухих веществ достигает 45 %, а за 7 часов работы в горячей колонке содержание сухих веществ достигает требуемых 50 %.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 3 час, за 2 цикла работы содержание сухих веществ достигает 45 %, а за 7 часов работы в горячей колонке содержание сухих веществ поднимется до 52 %.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 4 час, за 1 цикла работы, содержание сухих веществ достигает 43 %, а за 7 часов работы в горячей колонке содержание сухих веществ достигнет 52 %.

Таким образом, чем продолжительнее цикл, тем интенсивнее происходит выпаривание кристаллизата, но при этом утрачивается основное преимущество процесса кристаллизации - цикличность. Безусловно, использование горячей и холодной воды дополнительно к воздушному охлаждению и нагреванию значительно интенсифицирует процесс, обеспечивая возможность за короткий промежуток времени (~ 8 часов) повысить концентрацию от 30 до 50 % при одновременной кристаллизации лактозы. Однако для оптимизации продолжительности цикла, а также оптимизации интенсивности подачи воздуха и воды следует провести дополнительные экспериментальные исследования.

Список литературных источников:

1. Фиалкова, Е. А. Экспериментальный кристаллизатор с воздушным охлаждением и подогревом / Е. А. Фиалкова, В. Г. Куленко, Е. А. Качалова // Научно-теоретический журнал «Фундаментальные исследования». - 2006. - №7. - С. 22-23.

2. Куленко, В. Г. Разработка установки для кристаллизации лактозы на основе теоретических и экспериментальных исследований /В. Г. Куленко [и др.] // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2009. - №3, - С. 88-90.

3. Качалова, Е. А. Разработка установки для кристаллизации лактозы с воздушным охлаждением и подогревом: дис. ... канд. техн. наук. / Качалова Елена Александровна. - М., 2009. - 162 с.

4. Пат.2300572 Российская Федерация, МПК С 13 К 5/00. Установка для кристаллизации лактозы / Е. А. Фиалкова, Е. А. Качалова, В. Г. Куленко, Н. Н. Липатов, О. И. Топал, Е. М. Костюков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В.Верещагина»; заявл.11.05.05; опубл.10.06.07.

Analysis of heat and mass transfer processes in the crystallizer with cycling temperature regimes

Kulenko Vladimir Georgievich, Can. Of Sciences (Technics), Associate Professor e-mail: [email protected]