CC BY
44
621.542.002.612
ДИСПЕРСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФАКЕЛА РАСПЫЛА НИЗКОНАПОРНОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО РАСПЫЛИТЕЛЯ
П.Ю. КОНЕНКОВ, Ю.В. КОСМОДЕМЬЯНСКИЙ,
Н.Д. ЛУКИН
Московский государственный университет прикладной биотехнологии ■ '
В связи с расширением использования новых источников сырья для производства продуктов питания и кормов возросла потребность в высокоэффективном сушильном оборудовании для жидких продуктов, таких как гидролизаты, молочная сыворотка, декст-рин-мальтозная патока, овощные пюре и др. Наибольшее распространение распылительные сушилки получили благодаря высокому качеству вырабатываемой ими продукции [1]. Но этот вид сушильного оборудования имеет существенные недостатки, в, частности высокую удельную энергоемкость процесса распылительной сушки.
Главная проблема распылительных сушилок - низкая объемная интенсивность процесса сушки и неполная эвакуация продукта из сушильной камеры. Эти недостатки в значительной мере обусловлены применяемой техникой распыления и неудовлетворительным смешением распыляемой жидкости с теплоносителем, а также плоской формой факела распыления. Кроме того, технические средства распыления конструктивно сложны и поэтому имеют высокую стоимость.
Одним из перспективных направлений совершенствования процесса распылительной сушки является создание пневматического распылителя, использующего в качестве распыливающего агента сжатый высокотемпературный теплоноситель [2,3]. При таком способе пневматического распыления возможна резкая интенсификация межфазного тепломассообмена на начальной стадии формирования газожидкостной системы. Распыление сжатым теплоносителем дает возможность использовать высокую температуру сушки даже для термолабильных продуктов.
Предлагаемое распыливающее устройство (рис. 1) содержит корпус 1, по оси его цилиндрической части расположена питательная трубка 2, которая крепится к корпусу с помощью направляющей 3 и может перемещаться относительно него в осевом направлении для регулирования степени дисперсности готового продукта. По центру питательной трубки находится неподвижная ось 4, закрепленная сверху вставкой 5. В нижней части распылителя на неподвижную ось крепится с помощью контргайки 6 вращающаяся турбин-ка 7 со скошенными лопастями. Ее вращение осуществляется с помощью подшипников скольжения 8 за счет энергии движения газа.
Распылитель работает следующим образом. Поток нагретого газа движется в корпусе 1 и вращает расно-
ложенную на его выходе турбинку 7. В центральную ее часть по питательной трубке 2 подают высушиваемый раствор, который растекается по поверхности радиальных лопастей турбинки в виде пленки за счет центробежной силы и давления газа. При поступлении на кромку лопасти турбинки пленка жидкости срывается с нее за счет центробежных и аэродинамических сил и распадается на капли.
Расгеср I . Суш«эия . I
* і А
Кромки лопастей на входе раствора в турбинку расположены строго радиально, а на выходе наклонены к оси. Это достигается за счет уменьшения ширины и увеличения угла атаки лопасти от центра к периферии. Благодаря такой форме лопастей жидкость распределяется по всей длине их распыливающей кромки.
Таким образом, равномерное распределение капле-образования по поперечному сечению газового потока способствует использованию для распыления удельной энергии всего потока в плоскости установки турбины. Поэтому данный распылитель позволяет использовать для распыления низконапорные потоки газов. При применении в тепломассообменных процессах он создает техническую возможность для распыления нагретым газом, так как при низком давлении предварительного сжатия температура газа при поступлении в сушильную камеру падает незначительно. Центробежное воздействие рассматривается как пред-
варительное для образования струй, которые затем разрушаются поперечным высокоскоростным потоком газа.
В результате динамического взаимодействия фаз резко интенсифицируются процессы межфазного тепломассообмена непосредственно в ходе каплеобразо-вания, что увеличивает объемную интенсивность сушки. •';
Согласно [4], исследуемый распылитель следует классифицировать следующим образом:
по перепаду давления Р: газа Рг 10 кПа, жидкости Рж 30-50 кПа, удельный расход газа тул 20 кг/кг, что соответствует характеристикам распылителей низкого давления;
по месту образования двухфазной системы распылитель представляет собой форсунку внешнего смешения (см. рис. 1);
по распределению массы следует рассматривать его как многоструйную форсунку;
по направлению движения взаимодействующих потоков исследуемый распылитель является однонаправленным.
Эксперименты показывают, что в результате рас-пыливания образуется полидисперсная система частиц, составляющих факел распыленной жидкости.
Для того, чтобы количественно оценить процесс распыливания (дисперсность распыла), необходимо ввести соответствующие характеристики. Так как число капель, приходящихся на единицу объема факела распыленной жидкости, велико ( 106/см2), то при исследовании целесообразно использовать статистические методы.
Полидисперсные системы характеризуются уравнениями кривых распределения и величинами среднего диаметра [4-6].
Дифференциальные кривые описываются уравнением
Ур
сіп
6"
сіп
СІ8
(1)
5рс&
интегральные кривые уравнением
О =-
р і
сіп
с&
5" об
сіп
сі8
(2)
5 рс&
где п - количество частиц с размером 5, шт.; 8 - текущее значение размера частиц, мк.
Для описания кривых распределения используются несколько видов функций распределения размеров, поверхностей и объемов капель [5, 7]. Наибольшее распространение в практике получила функция Рози-на-Раммлера Г8] благодаря ее простоте, минимальному количеству экспериментально определяемых парамет-
ров, возможности быстрого вычисления различных средних характеристик. Уравнение суммарной кривой распределения объемов капель по диаметрам по Рози-ну-Раммлеру имеет вид
О, = 1—е
(3)
где О? - объемная (массовая) доля капель, диаметр которых меньше х; х - константа размера; и - константа распределения.
Частотная кривая, соответствующая суммарной кріївой уравнения (3), имеет вид
У,
(Ю,
~ск
п
— х е
і
(4)
Медианный диаметр хч (с/м) выражают через константы х н п
хм=-<1п2)я. (5)
Суммарное представление о степени дисперсности распыленной жидкости можно получить, определяя средний диаметр капель. Используя эту величину, можно значительно упростить анализ процессов в по-лидисперсной системе. Средние диаметры, характеризующие распыл, представим [4, 5] общей формулой
(6)
В зависимости от требуемого определяющего свойства выбирают соответствующие значения/и к. В процессах распылительной сушки принято пользоваться средним объемно-поверхностным диаметром 5з_2 (диаметр Заутера).
На первой стадии экспериментального исследования дисперсных характеристик факела распыла низконапорного пневматического распылителя в качестве распыливаемой жидкости использовали воду, а распы-ливающим агентом служил ненагретый воздух.
Исследование выполняли методом улавливания капель воды в тонкий слой вазелинового масла 0,3-0,5 мм, нанесенный на предметное стекло. Затем капли, попавшие в слой масла, изучали под микроскопом. Недостатки данного метода - малое количество улавливаемых капель и небольшая площадь измерений в факеле распыла за один раз. Метод обеспечивал измерение капель размером от 9 мк (единица деления шкалы).
Полученные данные обрабатывали в математической среде МАТЬАВ по методу наименьших квадратов для нахождения констант х и п в функции распределения размеров (4). Также вычисляли экспериментальное значение среднего объемно-поверхностного диаметра капель й?3>2 (бз>2) по формуле (1).
На рис. 2 и 3 изображены соответственно интегральная и дифференциальная кривые распределения объемов капель по диаметрам. . ’ ■
I --1.Ъ *
сз?
Г.-
Г
Г' ? СИ й
/ ■■
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.І
х/ X Рис. 2
форсунки к тому, или иному классу по каждому из основных признаков.
В этой связи целесообразно использовать полученные для различных схем распылителей эмпирические зависимости, из которых следует, что при диспергировании жидкости пневматическими форсунками основным параметром, влияющим на дисперсность факела, является скорость истечения газожидкостной смеси
<$СМ'
Влияние скорости газожидкостной смеси на медианный диаметр капель можно также оценить степенной зависимостью [4]
4с =/01}
(7)
В работе [8] предлагается формула для вычисления скорости газожидкостной смеси
“с- Ц
•ы-
+ ктг
1+ ІГ
X/ X
Поскольку в нашем исследовании сож«шг (значение иж не превышает 3 м/с на выходе с лопасти тур-бинки), то с помощью элементарных преобразований получаем:
=:! \уг.
Измерения скорости газа проводили с помощью трубки Прандтля-Пито в непосредственной близости от выхода из распылителя.
Экспериментальная зависимость медианного диаметра капель от скорости истечения газожидкостной смеси представлена на рис.4.
Рис. 3
Экспериментальные данные, использованные для расчета констант кривых, были получены при «рабочем» режиме распылителя, т.е. для наиболее мелкого распыла, что благоприятно для процесса распылительной сушки. Этому режиму соответствуют следующие параметры эксперимента: скорость газожидкостной смеси 25 м/с, удельный расход распыливающего агента 20 кг/кг.
Расчетные константы для представленных кривых имеют следующие значения: х ~ 55,80 мк; п = 4,07.
Медианный диаметр хм (а?м) вычислим по формуле (5): хм = 50,99.
Средний объемно-поверхностный диаметр с1Ъ 2 (5з,г) рассчитываем по формуле (6): с/3,2 = 51,76.
Анализ большинства известных работ показывает, что для класса пневматических форсунок не существует точной методики теоретического предсказания характеристик факела распыла той или иной форсунки. Это еще раз подтверждает сложность явлений, происходящих в пневматических форсунках, существенное влияние конструктивного оформления распылителя и особенностей, обусловливающих принадлежность
Рис. 4 :
Расчет кривой вида (7) по методу наименьших квадратов дает показатель степени п = (-0,95).
Обсудим полученные результаты для среднего объ-£М(?о-поверхностного диаметра с1\г и медианного диаметра с1и. Пооядок величин основных характеристик
' ИЗ ОС-
«учен-
[ческие
іргиро-
основ-
іакела,
смеси
І меди-ггепен-
(7)
ІЛЄНИЯ
значе-в тур-жаний
ющью
ІЗОСТИ
о диа-
ІСТНОЙ
35
ьших
) объ-| диа-гетик
дисперсности распыла, вычисленных при обработке экспериментальных данных по распылению жидкости на исследуемом распылителе, укладывается в представления о дисперсности распыла, создаваемого
пневматическими форсунками [4, 5, 8].
Из дифференциальной кривой распределения объемов капель по диаметрам (рис. 2) видно, что спектр дисперсности распыла имеет довольно узкий фракционный состав: 80% массы всей распыленной жидкости лежит в промежутке 30-65 мк. Это несомненно делает исследуемый распылитель перспективным для использования в процессе сушки жидких продуктов.
Для пневматических форсунок [8] также характерна зависимость медианного диаметра от скорости газожидкостной смеси. _______; <-ш. __
Таким образом, для математического моделирования процессов распыления с помощью предложенной авторами конструкции может быть выбрана модель описания, характерная для пневматических форсунок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Tzannis T.S., Prestrelski S.J. / Activity-Stability Considerations of Trypsinogen during Spray Drying: Effect of Sucrose// J. of Pharmaceutical Sciences. - 1999. - № 3.
2. Космодемьянский Ю.В., Костыгов A.B., Калугин B.B. Высокотемпературная распылительная сушка молока и молочных продуктов // Мат. XXIII Между нар. конгресса по молочному делу. - Канада, 1990 г.
3. Распылительная сушка сгущенных пищевых жидкостей сжатым высокотемпературным теплоносителем / Ю.В. Космодемьянский, А.В. Костыгов, В.В. Калугин и др. /'/'Науч.-техн. информ. сб. Вып. 9. - М: АгроНИИ'ГИмясомолпром, 1991.
4. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распылива-пия жидкости. - М.: Химия, 1984.
5. Лыков М.В., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. - М.: Машиностроение, 1966.
6. Распиливание жидкостей / Ю.Ф. Дитякин и др. - М.: Машиностроение, 1977. - 208 с.
7. Baltic Е.А., Chan I.C. Droplet size distribution: An Improved Method for Zitting Experimental Data // Canadian Journal of Chemical Engineering. - 1976,- 54,- N5.- P. 399-402.
8. Дятлов И.Н. Обобщение результатов измерений мелкости распыливания топлива механической и воздушно-механической форсунками центробежного типа. // Тр. КАИ им. А.Н.Туполева. -Казань, 1969. - Вып.2.
Поступила 28.03.02 г.
664.1.035.1.002.237
ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДИФФУЗИОННОГО ПРОЦЕССА СВЕКЛОСАХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Д.В. РЫЖКОВ, Р.С. РЕШЕТОВА
Кубанский государственный технологический университет
Экстракция сахарозы из свекловичной стружки -одна из важнейших предпосылок повышения выхода сахара и снижения его потерь. Поэтому понятен интерес многих исследователей и практиков к изучению этого процесса, выявлению факторов, способствующих его интенсификации, снижению потерь сахара, а также получению диффузионного сока с максимально доступной чистотой.
Диффузионный сок - многокомпонентная система, в которую входят сахароза, органические и неорганические несахара. От количества присутствующих в нем несахаров во многом зависит эффективность проведения дальнейшей известково-углекислотной очистки.
Перспективным направлением в свеклосахарном производстве является сочетание извлечения сахарозы и частичного осаждения несахаров в виде малорастворимых соединений на первом этапе технологической схемы - диффузионном отделении. Для достижения этой цели целесообразно в диффузионный аппарат направлять предварительно подготовленную свекловичную стружку.
■ .’О ,! -УУЯ • , > . * \
Важнейшим элементом подготовки свекловичной стружки к экстракции является обработка ее реагентами, переводящими основной компонент клеточной стенки - протопектин в нерастворимое состояние. Этого можно добиться предварительной обработкой свекловичной стружки кальцийсодержащими компонентами: сернокислым глиноземом [1,2] или специальным образом подготовленным известковым молоком [3]. Теоретически обоснована и практически доказана целесообразность предварительной обработки свекловичной стружки кальцийсодержащим раствором перед экстракцией [4-6]. При такой обработке повышаются реологические свойства стружки, диффузионный сок получается более высокой чистоты.
Установлено, что ионы кальция, поступающие на экстракцию со стружкой и питательной водой, распределяются между диффузионным соком и жомом приблизительно в соотношении 50 : 50. Это подтверждает правомерность предположения о связывании протопектина клеточной стенки в нерастворимый пектинат кальция. Дело в том, что переход протопектина в растворимый пектин сопровождается накоплением в растворе непременных его спутников - гемицеллюлоз, не удаляемых при последующей очистке и способствую-
