CC BY
20КИНЕТИКА КОНТАКТНОЙ СУШКИ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ
Павлов И.Н., Куничан В.А. finfo@bti.secna.ru), Денисов Ю.Н., Севодина Г.И.
Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) получила широкое использование в различных отраслях промышленности. Увеличивается ее производство, совершенствуются технологии получения [1].
Заключительной стадией производства МКЦ является фаза сушки, на которой формируются эксплуатационные характеристики готового продукта. Выбор способа сушки определяют специфические особенности рассматриваемого продукта (фракционный состав, насыпная плотность, сыпучесть и др.). Широкое распространение для осуществления процесса получили сушилки с конвективным подводом тепла различного конструктивного оформления [2, 3]. Однако использование известных способов сушки МКЦ не обеспечивает измельчение кристаллов гидролизованной целлюлозы и достижение необходимого фракционного состава. Для этих способов процесс измельчения кристаллов гидролизованной целлюлозы проводят либо до сушки, подвергая целлюлозу мокрому размолу в аппаратах с мешалками при больших сдвиговых усилиях, либо осуществляют сухой механический размол уже высушенной МКЦ в мельницах [2].
Можно осуществлять процесс сушки с контактным подводом тепла к продукту при обработке его в горизонтальном лопастном смесителе [4]. При этом обработка МКЦ в аппарате происходит при его влажности меньшей 50%. Экспериментальные исследования показали, что МКЦ в этом случае по агре-
гатному состоянию следует отнести к пастообразным материалам. Сушка в смесителе происходит при воздействии на продукт больших сдвиговых усилий. Вследствие этого происходит процесс измельчения частиц МКЦ.
Для описания процесса контактной сушки с механическим перемешиванием слоя продукта, происходящем в смесителе, может быть использована физическая модель, представляющая процесс как серию кратковременных контактов между влажным материалом и греющей стенкой, в процессе которых происходит нагрев материала с последующим испарением влаги со свободной поверхности материала в смесителе [5, 6, 7].
При разработке математической модели процесса контактной сушки МКЦ в горизонтальном лопастном смесителе в качестве основных допущений приняты следующие факторы: 1) сушка механически перемешиваемого слоя представляет процесс как ряд последовательно протекающих процессов сушки и смешения; 2) перемешивание является идеальным и происходит за короткий промежуток времени; 3) перемешиваемый продукт является однородным по влажности в каждый момент времени; 4) температура продукта в каждый момент времени одинакова по всему объему смесителя; 5) поверхность испарения влаги из продукта равна открытой поверхности продукта; 6) потери тепла, обусловленные теплообменом продукта с окружающей средой, невелики, поэтому ими можно пренебречь.
Температура и влагосодержание высушиваемого продукта определяются процессами подвода тепла и отвода тепла и влаги с поверхности продукта в окружающую среду. При этом для определения времени сушки необходимо решить систему дифференциальных уравнений массо- и теплопереноса при соответствующих граничных условиях.
Согласно закону сохранения энергии все тепло, подведенное к продукту, затрачивается на испарение влаги, нагрев продукта и некоторых элементов смесителя.
Количество тепла, затрачиваемое на испарение влаги в единицу времени, равно:
dm в m т dW
qucn = r-в = r-, (1)
исп dr 100 dr
твл = рнас V ,
где mв - масса влаги, содержащейся во влажном продукте, кг; т вл - масса влажного продукта, кг; W = 100 mB /твл - влажность продукта, %; r - удельная теплота испарения влаги, Дж/кг. рнас - насыпная плотность влажного материала, кг/м3; V - объем, занимаемый влажным материалом, м3.
Количество тепла, необходимое для нагревания продукта в единицу
времени, равно:
= — (2)
qнаг Свл m вл i , (2)
dr
где свл = с0 (1 - х)+ св х - теплоемкость влажного продукта, Дж/(кгК); c0, cв - удельные теплоемкости соответственно абсолютно сухого материала и влаги, Дж/(кгК); х - массовая доля влаги в продукте.
Количество тепла, необходимое для нагрева элементов смесителя: dt
qсм = cсмmсм~Г , (3)
dr
где cсм - теплоемкость материала элементов смесителя, Дж/(кгК); mсм - масса элементов смесителя, кг.
Сумма количеств тепла, идущего на нагрев элементов смесителя, продукта и испарение влаги из него, равна количеству подведенного тепла в единицу времени от поверхности нагрева:
q = K AtСР к, (4)
где K - коэффициент теплопередачи,
Вт/(м К); AtCP - движущая сила процесса теплопередачи, К; FHas - площадь греющей поверхности, м2.
По результатам наблюдений за ходом процесса сушки при механическом перемешивании установлено, что влажные пасты МКЦ при переработке представляют собой комкообразный продукт. Контакт такого продукта с греющей поверхностью смесителя осуществляется не по всей площади. Для учета этого фактора введен коэффициент эффективности использования поверхности нагрева - к.
Масса влаги, удаляемой из материала в единицу времени, равна:
1 = Т, (5)
ат
где С = рнас х - объемная концентрация влаги в материале, кг/м3.
Количество влаги, удаляемой со свободной поверхности материала:
1П =в(С - Ср ) , (6)
где в - коэффициент массоотдачи, м/с; СР - равновесная концентрация
3 2
влаги в материале, кг/м ; £ - площадь свободной поверхности испарения, м .
Коэффициент теплопередачи определяется выражением:
* = 1—I-Г' (7)
-+ 1 ГСТ +-
а а
тепл м
где атепл и ам - коэффициенты теплоотдачи для теплоносителя и влажного материала соответственно, Вт/(м2К); I гСТ - сумма термических сопротивлений, м К/Вт.
На основе решения задачи о кратковременном контакте без учета массо-переноса коэффициент теплоотдачи между греющей поверхностью и внутренней частью влажного насыпного слоя определяется по формуле Кришера [8]:
2\ ^ свл Рнас /о\
ам = V ,- -, (8)
ып ^тСР
где X - коэффициент теплопроводности влажного материала, Вт/(мК); ам - средний коэффициент теплоотдачи за время т от начала контакта, Вт/(м2К).
В исследуемом горизонтальном лопастном смесителе величина тСР представляет собой промежуток времени между двумя последовательными прохождениями лопастей через данную точку поверхности греющей стенки:
тф = 2 (( + п2 ))-1, (9)
где г - число лопастей в одном сечении; п1, п2 - число оборотов ведущего вала смесителя и ведомого соответственно, об/с.
После проведенных преобразований система уравнений, описывающих процесс контактной сушки продукта при механическом перемешивании, сведена к следующему виду:
1
Ф МСР-
^ + Г Ш =_Рпас А_ (10)
йт 100 А йт 1 V 4ж
+ Гст + . . . ,
атепл л}Хсвл Р нас \ 2* (п1 + П 2 )
йЖ
йт где А =
вЯ(Ж - Жр), (11)
^ с т ^
. см см с вл +
Р V
А^нас
; Я = % ; Ф = ^ ; Ж, ЖР - соответственно
нас
влажность материала и равновесная влажность материала, %.
Экспериментальная часть С целью проведения экспериментального исследования кинетики процесса контактной сушки МКЦ в режиме механического перемешивания и проверки адекватности разработанной математической модели была изготовлена экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.1. В состав установки входит горизонтальный двухвальный лопастной смеситель, осна-
щенный рубашкой обогрева. Рабочими элементами смесителя являются две Z-образные лопасти. Привод экспериментальной установки оборудован двигателем постоянного тока, а регулировка частоты вращения происходит при помощи автотрансформатора. Скорость вращения ведомого вала смесителя фиксируется электронным цифровым тахометром. Для определения мощности, потребляемой электроприводом при перемешивании, использованы вольтметр и амперметр. Необходимый температурный режим работы установки поддерживается термостатом. Для контроля температуры теплоносителя на линии подачи и отвода установка оснащена термометрами. Контроль температуры материала в смесителе производится с помощью термопары и потенциометра. Расхода теплоносителя фиксируется ротаметром.
Эксперименты проводили при различных скоростях вращения лопастей смесителя. Из термостата подавали теплоноситель, при этом температура теплоносителя на входе в рубашку смесителя поддерживалась постоянной. В ходе эксперимента фиксировали температуру теплоносителя на выходе из рубашки
смесителя и температуру продукта в смесителе. Через заданные промежутки времени производился отбор проб МКЦ, по которым определялось изменение влажности продукта в ходе процесса сушки. При обработке данных использовались экспериментальные значения теплопроводности и насыпной плотности влажных паст МКЦ.
Обработка экспериментальных данных с использованием предлагаемой математической модели показала, что она удовлетворительно описывает процесс сушки в лопастном смесителе. Максимальное расхождение численных расчетов и экспериментальных значений составило ± 30 %.
60 50 40 30 20 10 0
0 50 100 150 200 250
т, мин
Рис. 2. Изменение температуры МКЦ в процессе сушки.
60 50 40 30 20 10 0
0 50 100 150 200 250
т, мин
Рис 3. Кинетика контактной сушки МКЦ.
W, %
□ 1 тепл = 125 С
д 1 тепл = 110 С
о 1 тепл = 95 С
□у. А
[ЧА > о Ч^ О о
м, %
На рис. 2 представлено изменение температуры МКЦ в ходе процесса сушки. На рис. 3 показаны кривые кинетики сушки МКЦ в горизонтальном
смесителе. Точками на графиках представлены экспериментальные значения, сплошными линиями результаты расчетов по представленной модели. Графические зависимости приведены при коэффициенте заполнения смесителя 0,8 и средней частоте вращения лопастей 90 об/мин.
При сопоставлении температурных зависимостей и кривых кинетики процесса можно заключить, что до влажности 10...12% МКЦ содержит свободную влагу. Поскольку до этой влажности температура продукта и интенсивность сушки остаются постоянными. Затем температура МКЦ начинает расти, что свидетельствует об удалении свободной влаги.
Выводы
1. На основе решения задачи о кратковременном контакте между греющей поверхностью и внутренней частью влажного перемешиваемого слоя материала разработана математическая модель процесса контактной сушки высококонцентрированных паст МКЦ в условиях механического перемешивания в горизонтальном лопастном смесителе.
2. Правильность разработанной модели подтверждена экспериментальным исследованием. Представленная математическая модель процесса позволяет рассчитать продолжительность процесса и определить величину влажности материала в ходе процесса. Определена величина критической влажности, которая позволяет оценить характер удаления влаги из продукта.
Список литературы
1. Павлов И.Н., Куничан В. А. Контактная сушка пастообразного материала на базе конверсионного оборудования// Матер. Всерос. научно-практ. конф. "Прикладные аспекты совершенствования химических технологий и материалов". В 2-х частях. Часть 2. - Бийск: АлтГТУ, 1998. - с. 80-83.
2. Целлюлоза в форме порошка. Получение. Свойства. Применение. (Аннотированный указатель литературы 1951 - 1984 гг.) / Составители Сары-баева Р.И., Василькова Т.В., Султанкулова А.С., Трушкина Н.И. - Фрунзе: Илим, 1986. - 338 с.
3. Мухиддинов Д.Н., Юнусов Ю.Х., Юфа А.И. Сушка порошкообразной целлюлозы в аппарате с фонтанирующим закрученным потоком теплоносителя в присутствии инертного материала// Химическая промышленность. - 1984. -№5. - с. 307-308.
4. Павлов И.Н., Куничан В.А. Измельчение и сушка микрокристаллической целлюлозы в лопастном смесителе// Тез. докл. третьей Уральской конференции «Полимерные материалы и двойные технологии технической химии». -Пермь: ФГУП «Пермский завод им. С.М. Кирова», 1999. - с. 6-7.
5. Schluender E.U. Fortschritte in den wissenschaftlichen Grundlagen zur Auslegung von Kontakttrocknern fuer grob- und feinkoerniges, rieselfahiges Trocknungsgut// Chem.-Ing.-Tech. - 1983. - Bd.55. - №12. - s. 940-949.
6. Лущиков В.В. Нестационарный теплообмен поверхности со слоем перемешиваемого дисперсного материала// Тепломассоперенос в аппаратах с дисперсными системами. - Минск: ИТМО АН БССР, 1983. - с. 3-9.
7. Геллер М.А. О постановке сопряженной задачи теплообмена тела с перемешиваемым слоем дисперсного материала// Теплоперенос в аппаратах с дисперсными системами. - Минск: ИТМО АН БССР, 1983. - с.21-24.
8. Кришер О. Научные основы техники сушки. - М.: Изд-во иностр. лит., 1961. - 539 c.
