CC BY
21
Наведено результати аосліджень складного тепломасообміну у шарі дисперсного матеріалу під час капсулювання плівкоутворювальними розчинами у стані псевдозрідження. Отримано рівняння для визначення комбінованого
коефіцієнту тепловіддачі від повітря до поверхні частинки під час капсулювання у залежності від висоти шару. Встановлено частку поверхні частинок, яка приймає участь у масообміні. Розраховано інтенсивність масообміну з висотою шару дисперсного матеріалу
Ключові слова: теплообмін, масообмін, поверхня масообміну, капсулювання, фізична модель, дисперсні матеріали, псевдозріджений шар
□-------------------------------------□
Приведены результаты исследований сложного тепломасообмена в слое дисперсного материала во время капсулирования пленкообразующими растворами в состоянии псевдоожижения. Получена зависимость для определения комбинированного коэффициента теплоотдачи от воздуха к поверхности частицы во время капсулирова-ния в зависимости от высоты слоя. Определена доля поверхности частиц, которая принимает участие в массообмене. Рассчитана интенсивность массообмена с высотой слоя дисперсного материала
Ключевые слова: теплообмен, массобмен, поверхность массообмена, капсу-лирование, физическая модель, дисперсные материалы, псев-доожиженный слой --------------------□ □------------------------
1. вступ
Капсулювання широко застосовується в різних галузях промисловості та сільському господарстві. Одним із методів капсулювання твердих дисперсних речовин є нанесення покриття у стані псевдозрідження, що характеризується максимальною інтенсивністю взаємодії твердої фази, рідини та газу [1-6]. Однак, під час практичної реалізації капсулювання у стані псевдозрідження витрата плівкоутворювача в шар матеріалу як правило не перевищує 80% від максимально можливого значення [7, 8], що знижує продуктивність установки та збільшує затрати на виробництво капсульованих матеріалів. Це викликане явищем злипання частинок, що призводить до різкого зниження якості оболонки. Для запобігання утворенню агломератів у процесі капсулювання дисперсних матеріалів необхідним є більш рівномірно розподілити плівкоутворювач по поверхні частинок. Викликає практичне зацікавлення дослідження динаміки тепломасообміну у шарі дисперсних матеріалів під час капсулювання у стані псевдозрідження.
2. Аналіз попередніх досліджень
Питанням теплообміну у шарі дисперсного матеріалу присвячені ряд праць [8, 9]. В них кінетичні
З
УДК 001.891:65.011.56
ДИНАМІКА
тепломасообміну
у ШАРІ
дисперсного матеріалу під час капсулювання у стані псевдозрідження
Я. М. Гумницький
Доктор технічних наук, професор* E-mail: nahurskyy@mail.ru О. А. Нагурський
Кандидат технічних наук, доцент* E-mail: nahurskyy@mail.ru А. О. Нагурський*
E-mail: nahurskyy@mail.ru *Кафедра прикладної екології та збалансованого
природокористування Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013
коефіцієнти, що характеризують процес, визначалися як усереднена величина для всього шару матеріалу. Однак, як показують результати досліджень наведених у [10], інтенсивність теплообміну, а відповідно і масообміну, змінюється із висотою шару. Тому, користуючись усередненими показниками кінетичних коефіцієнтів неможливо адекватно охарактеризувати процес по висоті шару.
3. мета роботи
Метою роботи є визначення локальних кінетичних коефіцієнтів процесу тепло- та масовіддачі під час капсулювання дисперсного матеріалу у стані псевдозрідження.
4. матеріал і результати дослідження
Як дисперсний матеріал використовували модельні частинки кулястої форми, виготовлені з полістиролу, діаметром 5,5х10-3 м, густина матеріалу 1060 кг/м3, а зрошування шару проводили водою. Результати експериментальних досліджень у графічному вигляді наведені на рис. 1.
© Я. М. Гумницький, 0. R. Нагурський, Я. 0. Нагурський, 2013
Із отриманих результатів (рис. 1) видно, що процес теплообміну в умовах зрошення шару частинок рідиною можна умовно розділити на три фази:
• теплообмін в умовах повного зрошення поверхні частинки;
• теплообмін в умовах часткового зрошення поверхні частинки;
• теплообмін за відсутності рідини на поверхні частинки.
35 - Н, см
30 - і 2 і
25 -
20 -
15 -
10 -
5
^ °С
0 1 1 1 1 ■' 1
30 40 50 60 70 80
Рис.1. Залежність температури в шарі матеріалу t, в
процесі капсулювання від висоти Н за різної витрати рідини, кг/(кгхс)х106: 1 — 0,76; 2 — 0,92
Повне змочення поверхні частинки рідиною можливе лише безпосередньо біля розпилюючою форсунки. Тут же теплообмін проходить з максимальною інтенсивністю. Цьому випадку відповідає ділянка кривої (рис. 1) на відрізку від 0 см до 5 см. Далі йде процес з частковим змоченням поверхні - відрізок від 5 см до 15 см. І теплообмін тільки між повітрям і поверхнею частинки спостерігається на відрізку кривої від 15 см до 30 см. На першому і третьому відрізку крива залежності має лінійний характер, тому розрахунок коефіцієнту тепловіддачі можна проводити за наведеними у [12] залежностями для відповідних випадків.
Розглядаючи теплообмін в так званій проміжній зоні (на висоті від 5 до 15 см) вводимо поняття величини змоченності поверхні частинки, яке позначаємо як ф. Дана величина є змінною по висоті шару, тому розділяємо його на дві зони: перша - від 5 см до 10, і друга - від 10 см до 15 см. З врахуванням коефіцієнту ф можемо записати рівняння для визначення коефіцієнту тепловіддачі для зволоженої частини поверхні:
=«вол^ (йов -1, ) , (1)
де Цвол - теплота, яка витрачається на випаровування розчинника, Вт;
Б} - площа поверхні випаровування розчинника, м2;
t пов - середня температура повітря у проміжній зоні, °С;
^ - темпеература поверхні частинки матеріалу, °С.
Відповідно для сухої частини поверхні:
^ = а^, (^-1,), (2)
де (¿сух - теплота, яка витрачається на нагрівання частинки, Вт;
авол, асух - коефіцієнти тепловіддачі, відповідно, для зволоженої і для сухої частини поверхні, Вт/(м2хград).
Кількість теплоти, яка передається від
псевдозріджуючого повітря складається із тепла, яке витрачається на випаровування рідини 0^^ол і на нагрівання сухої поверхні Qcух. Тоді можна записати:
а=аВол+асУх=Чрс^„-д (3)
де ^, ^ - температура повітря, відповідно, на вході і виході із відповідної зони дисперсного матеріалу, °С
Рівняння (1-3) утворюють систему рішення якої відносно коефіцієнта ф має наступний вигляд:
А 0 -«^.(йов -!мт)
Ф = ^--------V------- \ . (4)
Р (їпов -імт )(«вол -«сух )
Знаючи середню величину ф на певній ділянці псевдо зрідженого шару матеріалу, можемо визначити середнє значення комплексного коефіцієнту тепловіддачі за рівнянням:
« = «волФ + «сух (1 -Ф) . (5)
Далі за отриманими даними розраховуємо величини змоченності поверхні частинки для проміжних зон за рівнянням (4) і відповідні цим зонам коефіцієнти тепловіддачі за рівнянням (5). Результати розрахунків для різних витрат плівкоутворювача представлені в табл. 1.
Таблиця 1
Коефіцієнти тепловіддачі для відповідних зон псевдозрідженого шару дисперсного матеріалу в процесі зрошення його рідиною.
Gc, кг/(кгхс)х106 0,76 0,92
авол 367,75 520,02
асух 21,67 18,49
ф(5-10) 0,43 0,45
ф(10-15) 0,19 0,23
<*(5-10) 170,6 244,0
<*(10-15) 87,5 133,8
Кількість випареної вологи з висотою шару, визначене за рівнянням:
W = ^вої, (6)
г
наведено в табл. 2.
Таблиця 2
Залежність кількості випареної вологи по висоті шару, отримана розрахунковим шляхом
Н, см Кількість поданої вологи в шар, кг/сх103
0,38 0,46
0+5 0,000275219 0,000366801
5+10 5,39954Е-05 6,76604Е-05
10+15 1,09331Е-05 1,55131Е-05
Сумарне розрахункове значення кількості випареної в шарі вологи, кг/сх103
0,34 0,45
Е
Просумувавши загальну кількість випареної вологи по висоті шару, отримуємо залежність , наведену на рис. 2.
Рис. 2. Залежність кількості випареної вологи IV з висотою шару Н за різних витрат рідини, кг/с:
1 - 0,00038; 2 - 0,00046
Вертикальними лініями на рис. 2 позначено кількість поданої в шар рідини.
5. висновки
Розрахункові значення, представлені кривими залежностей, прямують до практичної величини. Величина відносної похибки теоретичних та експериментальних результатів лежить в межах 4,7+19,2%. Це вказує на співпадіння теоретичних значень дійсним, що підтверджує правильність введених спрощень та допущень. Отримані теоретичні залежності можна використовувати для розрахунку динаміки тепломасообміну процесу капсулювання дисперсних матеріалів у стані псевдозрідження, встановлювати на її основі оптимальні технологічні параметри роботи установки псавдозрідженого стану і удосконалення роботи апратів киплячого шару.
Література
1. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах [Текст]. - М.: Химия, 1981. - 812 с.
2. Кунин Д., Левеншпиль О. Промышленное псевдоожижение. США , 1969. Пер. с англ. Под ред. М.Г. Слинько и Г.С. Яблон-
ского. М:, Химия, 1976. - 448 с.
3. Gutcho M., Capsule technology and microencapsulation, L., 1972.
4. Hertrich-Kamimura Bruno. Mikroverkapselung // Chem. -Ing. Techn. - 1991. - 63. - N4. - Р.239-242.
5. Singeser R.E., Reiser A.L., Prilling E.B. Air-suspension tablet coating // Ghem. Eng.Progr.-I966.-v.62.-N6.-P.I07-III.
6. U.S.Patent N2648609, K1.B05C 9/06. Method of applying coatings to edible tablets and the like/ Wurster D.E.
7. Демчук, И.А. Разработка технологии и моделирования процессов капсулирования твердых лекарственных форм в псевдоо-жиженном слое: дис. к. т. н. : 05.17.08 [Текст] / Демчук Иван Андреевич. - Львов, 1991 - 203с.
8. Овчинников, Л.Н. Капсулирование минеральных удобрений во взвешенном слое: монография [Текст] / Л.Н.Овчинников, А.Г.Липин Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2011. - 140 с.
9. Атаманюк, В.М. Зовнішній тепломасообмін під час фільтраційного сушіння [Текст] / Атаманюк В.М. // Промышленная теплотехника. - 2006. - Т.28. - №5. - С.47-54.
10. Корнієнко, Я.М. Утилізація промислових відходів через створення технології виробництва нових добрив для екологічно безпечного землеробства : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня докт. техн. наук : 21.06.01 «Екологічна безпека» [Текст] / Я.М. Корнієнко : НТУУ «Київський політехнічний інститут». - Київ, 2003. - 37 с.
11. Нагурський, О.А. Кінетика тепло та масообміну процесу капсулювання дисперсних матеріалів в стані псевдозрідження [Текст] / Нагурський О.А., Гумницький Я.М. // Наукові праці ОНАХТ, вип. 41, т.2, Одеса. - 2012. - С.200-206.
З
