CC BY
20технические науки
наука без границ • № 7 (35) • 2019
УДК 66.047
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ ПРОДУКТОВ ВО ВСПЕНЕННОМ СОСТОЯНИИ
Старых Дарья Алексеевна, магистрант, Иванова Анастасия Владимировна, магистрант, Черкаева Маргарита Юрьевна, магистрант, Гридчина Анастасия Валерьевна, магистрант; Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, РФ
В статье представлено описание разработанной экспериментальной инфракрасной сушильной установки, предназначенной для проведения исследований процесса сушки жидких дисперсных продуктов во вспененном состоянии. Описаны основные требования по проведению исследований. Представлен план и порядок проведения экспериментов. Даны рекомендации по проведению экспериментальных исследований по сушке жидкого лигносульфоната. Ключевые слова: пена; сушка; лигносульфонат; термограмма; конвекция; излучение; пеноо-бразование; эксперимент.
EXPERIMENTAL SETUP FOR INFRARED DRYING OF LIQUID DISPERSED
PRODUCTS IN FOAMED STATE
Staryh Dar'ya Alekseevna, graduate student, Ivanova Anastasiya Vladimirovna, graduate student,
Cherkaeva Margarita Yur'evna, graduate student e, Gridchina Anastasiya Valer'evna, graduate student; TSTU, Tambov, Russia
The article presents a description of the developed experimental infrared drying plant designed to study the drying process of liquid dispersed products in the foamed state. The basic requirements for research are described. The plan and procedure of experiments are presented. Recommendations for experimental studies on drying liquid lignosulfonate are given.
Keywords: foam; drying; lignosulfonate; thermogram; convection; radiation; foaming; experiment.
Для цитирования: Экспериментальная установка для инфракрасной сушки жидких дисперсных продуктов во всепенном состоянии // Наука без границ. 2019. № 7(35). С. 43-47.
Одним из основных вопросов при сушке жидких дисперсных продуктов во вспененном состоянии является высокое энергопотребление при применении конвективного теплоподвода [1]. Одним из способов интенсификации процесса сушки является применение более мощного инфракрасного теплоподвода [2].
Высокотемпературная конвективная сушка имеет недостатки, т.к. при более высокой температуре сушильного агента
происходит повреждение термочувствительных продуктов. Соответственно возникает необходимость применения некоторых искусственных методов и устройств для проведения процесса [1, 3].
Инфракрасная сушка - это испарение воды из продуктов с помощью ИК лучей и конвекции окружающего воздуха [5]. Инфракрасная радиационная сушка широко применяется в последние годы, за счет более короткого времени сушки, лучшего
наука без границ • № 7 (35) • 2019
технические науки
качества конечного высушенного продукта и большой экономии энергии [3]. Многие авторы изучали качество высушенных продуктов, полученных инфракрасной сушкой [1, 3].
Пенообразование жидких и полужидких материалов признано одним перспективных методов сокращения времени сушки. Эта технология позволяет обрабатывать трудносохнущие материалы, получать продукты с заданными свойствами (например, контролируемая плотность) и сохраняют летучие вещества, которые в противном случае были бы потеряны во время сушки в не вспененном материале.
Необходимо отметить, что подобные продукты постоянно претерпевают определенные изменения, которые могут привести к серьезным проблемам качества, таким как разложение, изменение внешнего вида и потеря качественных свойств. Поэтому для минимизации влияния факторов, влияющих на качество продукции, исследуются различные технологии пено-образования.
Сушка пены является экономичной альтернативой для барабанной сушки, сублимационной сушки, распылительной сушки для производства порошков. Сырье преобразуется в стабилизированную пену путем добавления пенообразующего вещества в присутствии/отсутствии стабилизаторов пены. Обезвоживание происходит за счет инфракрасного теплоподвода. Высококачественный порошок можно получить путем правильного выбора метода вспенивания, пенообразователей, стабилизаторов пены, времени, необходимого для вспенивания, подходящего метода сушки и температуры.
Основное же преимущество инфракрасного способа сушки продуктов во вспененном состоянии заключается в том, что такой способ позволяет уменьшить время сушки [3]. Однако такой способ требует повышенного внимания к выбору режима
сушки, т.к. необходимо получение сухого продукта с максимальным сохранением качественных характеристик [4].
Для исследования кинетики инфракрасной сушки жидких дисперсных продуктов во вспененном состоянии была разработана специальная экспериментальная лабораторная установка. В качестве основного продукта для исследования был выбран жидкий лигносульфонат [5].
Слово лигнин происходит от латинского слова lignum, означающего дерево. Это один из основных компонентов всех сосудистых растений и второй по распространенности полимер в природе.
Лигносульфонаты являются водорастворимыми анионными полиэлектролитными полимерами: это побочные продукты производства древесной массы с использованием сульфитной пульпы [1]. Большая часть делигнификации при сульфитной варке включает кислотное расщепление эфирных связей, которые связывают многие компоненты лигнина [2] электрофильные карбокации, образующиеся при расщеплении эфира, вступают в реакцию с бисульфит- ионами (HSO3 -) с образованием сульфонатов.
Основным местом расщепления эфира является а-углерод (атом углерода, присоединенный к ароматическому кольцу) пропиловой (линейной трехуглеродной) боковой цепи. Следующие структуры не определяют структуру, поскольку лигнин и его производные являются сложными смесями: цель состоит в том, чтобы дать общее представление о структуре лигно-сульфонатов. Группы R1 и R2 могут быть самых разнообразных групп в структуре лигнина.
Сульфонирование происходит на бортовых цепях, не на ароматичном кольце как в толуолсульфоновой кислоте. Лигносуль-фонаты имеют очень широкие диапазоны молекулярной массы (они очень полидисперсны).
Лигносульфонаты имеют большое разнообразие применений. Самое большое использование лигносульфонатов - это пластификаторы при изготовлении бетона [1], где они позволяют изготавливать бетон с меньшим количеством воды (давая более прочный бетон) при сохранении способности бетона течь. Лигносульфонаты также используются при производстве цемента, где они действуют как шлифовальные средства в цементной мельнице и в качестве дефлокулянта суспензии сырьевой смеси (что снижает вязкость суспензии).
Лигносульфонаты также используются для производства гипсокартона, чтобы уменьшить количество воды, необходимое для создания потока штукатурки и формирования слоя между двумя листами бумаги. Уменьшение в содержании воды позволяет высушить гипсокартон при более низких температурах.
Способность лигносульфонатов снижать вязкость минеральных суспензий используется в нефтебуровых растворах, где лигносульфонаты заменили дубильные
1
кислоты из тропического дерева.
Лигносульфонаты используются для разгона пестицидов, красителей, сажи и других нерастворимых твердых веществ и жидкостей в воде. Они используются при дублении кожи. Они также используются для подавления пыли на грунтовых дорогах.
Окисление лигносульфонатов из хвойных пород деревьев производится ванилином (искусственный аромат ванили). Из лигносульфонатов получают диметил-сульфид и диметилсульфоксид (важный органический растворитель).
Также одним из очень широких видов применения лигносульфонатов является дефлокуляция глин, используемых в буровых растворах в нефтегазовой промышленности.
Для сушки лигносульфоната нами использовалась экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1. На схеме: 1 - схема управления; 2 - смотровое окно; 3 - подложка; 4 - весы; 5 -термопара; 6 - сушильная камера; 7 - ИК излучатели.
Рис. 1. Схема сушильной лабораторной установки
9
наука без границ • № 7 (35) • 2019
технические науки
На подложке 3 располагался лигносуль-фонат во вспененном состоянии, который нагревался в сушильной камере 6 ИК излучателем 7. С помощью весов 4 производились замеры изменения массы с течением времени.
Через смотровое окно 2 возможно наблюдение за высушиваемым продуктом. При этом отмечаются следующие эффекты: образование пленки, покрытие коркой, вздутие продукта и т.д.
Схемой управления 1 происходит регулировка расхода потребляемой энергии ИК излучателями. Термопара 5 служит для измерения температуры высушиваемого материала.
Дозирование образцов вспененного продукта происходит непосредственно перед проведением эксперимента при снятой верхней крышке.
Порядок проведения исследования:
1. Высушиваемый продукт вспенивают (одним из стандартных способов) до получения пены заданной кратности.
2. Открывается верхняя крышка установки.
3. Вспененный продукт дозируется на подложку, которая устанавливается на траверсу весов.
4. Закрывается верхняя крышка установки.
5. Включается самописец, видеокамера, резервный секундомер.
6. Включаются ИК излучатели.
В процессе проведения эксперимента регистрируется температура и масса образца, а также проводится видеосъемка поверхности продукта.
Для инфракрасной сушки вспененного жидкого лигносульфоната рекомендуется производить замеры с интервалом 45 сек -20 замеров, 2 мин - 20 замеров, 3 мин - до окончания процесса сушки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пахомова Ю.В., Коновалов В.И., Пахомов А.Н. Особенности механизма и кинетики сушки капель дисперсий (на примере сушки послеспиртовой барды) // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2011. Т. 17. № 1. С. 70-82.
2. Пахомов А.Н., Пахомова Ю.В. Сушка капель жидких дисперсных продуктов. - М.: Издательство «Перо», 2013. - 122 с.
3. Пахомов А.Н., Пахомова Ю.В., Ильин Е.А. Возможности самоорганизации дисперсных систем при сушке на подложке // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2012. Т. 18. № 3. С. 633-637.
4. Пахомов А.Н. Некоторые кинетические особенности сушки жидких дисперсных продуктов на твердых подложках / А.Н. Пахомов, С.В. Васенина, И.А. Бирюкова, И.Г. Позднышева, Е.Ю. Комбарова // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. № 11-4 (65). С. 63-66.
5. Пахомов А.Н., Комбарова Е.Ю., Позднышева И.Г. Визуализация процесса формирования фонтанирующего слоя в щелевой установке // Наука без границ. 2017. № 6(11). С. 62-65.
REFERENCES
1. Pahomova Yu.V., Konovalov V.I., Pahomov A.N. Osobennosti mekhanizma i kinetiki sushki kapel' dispersij (na primere sushki poslespirtovoj bardy) [Features of the mechanism and kinetics of drying dispersion drops (for example, drying after-alcohol bards)]. Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, vol. 17, no. 1, pp. 70-82.
2. Pahomov A.N., Pahomova Yu.V. Sushka kapel' zhidkih dispersnyh produktov [Drying drops of liquid dispersed products]. Moscow, Izdatel'stvo «Pero», 2013, 122 p.
3. Pahomov A.N., Pahomova Yu.V., Il'in E.A. Vozmozhnosti samoorganizacii dispersnyh sistem pri sushke na podlozhke [Possibilities of self-organization of disperse systems during drying on a
substrate]. Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2012, vol. 18, no. 3, pp. 633-637.
4. Pahomov A.N., Vasenina S.V., Biryukova I.A., Pozdnysheva I.G., Kombarova E.Yu. Nekotorye kineticheskie osobennosti sushki zhidkih dispersnyh produktov na tverdyh podlozhkah [Some kinetic features of drying liquid dispersed products on solid substrates]. Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal, 2017, no. 11-4 (65), pp. 63-66.
5. Pahomov A.N., Kombarova E.Yu., Pozdnysheva I.G. Vizualizaciya processa formirovaniya fontaniruyushchego sloya v shchelevoj ustanovke [Visualization of the formation of the gushing layer in the slit installation]. Nauka bez granic, 2017, no. 6(11), pp. 62-65.
Материал поступил в редакцию 02.07.2019 © Старых Д.А., Иванова А,В., Черкаева М.Ю., Гридчина А.В., 2019
