CC BY
51
УДК 66.047
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ
ДЕСУБЛИМАТОРА
А.В. Жучков, И.Е. Шабанов, Ю.Н. Кузовенко, А.А. Андреев
Предложена методика регенерации термолабильных продуктов, полученных десублимационным фракционированием под воздействием потока пара регенерируемой жидкости. Разработана математическая модель процесса теплообмена при конденсации пара на слое регенерируемого десублимата. Определены характеристики тепловых потоков, полученных от парогенератора и выделяемых при охлаждении регенерируемой жидкости. Показана возможность развития техники регенерации десублиматов при низких температурах и высоких скоростях течения процесса, позволяющих значительно сократить энергозатраты и время фазового перехода льда в жидкость
Ключевые слова: десублимационное фракционирование, регенерация десублиматора, термолабильные продукты
Особую актуальность технология регенерации десублиматоров приобрела с развитием сублимационного и десублимационного фракционирования термолабильных продуктов применяемых в производствах фармацевтических препаратов. Одним из наиболее эффективных методов регенерации десублиматоров сублимационных установок (т.е. удаление слоя десублимата с рабочих поверхностей) является оплавление слоя под воздействием потока пара, с давлением, превышающим давление тройной точки. [1,2,3]
Рис. 1. Схема регенерации десублиматора потоком пара в вакууме:
1 - сублимационная камера; 2 - десублиматор; 3 - панели; 4 - нагреватель; 5, 6, 7 -вакуумные затворы, 8 - вакуумный насос, 9 -холодильная установка
Практическая реализация данного метода сводится к отсечению десублиматора 2, в котором установлены панели 3, от сублимационной камеры 1, и вакуум-насоса 2, вакуум-
Жучков Анатолий Витальевич - ВГУИТ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: mks36@mail.ru
Шабанов Игорь Егорович - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: mks36@mail.ru
Кузовенко Юрий Николаевич - ВГУИТ, аспирант, e-mail: mks36@mail.ru
Андреев Артем Александрович - ВГУИТ, аспирант, e-mail: mks36@mail.ru
ными затворами 5, 6 и подаче пара из специального парогенератора 3 через вакуумный затвор 7. Пар, конденсируясь непосредственно на поверхности десублимата, расплавляет его. Вода стекает вниз в парогенератор 3. После окончания регенерации десублиматора вакуумный затвор 7 закрывается, а затворы 5, 6 открываются, десублиматор вновь включается в работу.
Решающим фактором, определяющим скорость оплавления десублимата, является интенсивность процесса теплоотдачи от пара к поверхности десублимата. Величина коэффициента теплоотдачи в этом случае рассчитывается по формуле [3, 4]
а = 0,943
pgrl
v(tн -1„л )н
0.25 r пл 0.25 (l)
r + r „л ,
где: р - плотность воды, X- коэффициент теплопроводности воды, V - кинематический коэффициент вязкости десублимата (воды), ^ и и - температуры насыщения пара и плавления десублимата, соответственно, Н - высота пластины десублимата, гт - теплота плавления десублимата, г - теплота конденсации пара.
При заданном тепловом потоке от нагревателя 4 можно получить следующее соотношение для температуры насыщения в парогенераторе с учетом решения (1):
(
tH = tm + 1081q
где: qd = Q1 F
4I3
vH
r + r
„л
0.25
pgrl
(2)
плотность теплового потока
на поверхности десублимата, р - тепловой поток нагревателя парогенератора, ¥д - свободная поверхность десублимата.
д
r
„л
Скорость плавления слоя десублимата
равна:
Чд
(3)
ГплРд
где рд - плотность десублимата.
На рис. 2 представлены зависимости температуры насыщения пара и скорости плавления слоя десублимата от плотности теплового потока с]д.
щения и скорости плавления десублимата от плотности теплового потока (р = 1000 кг/м3, р = 900 кг/м3, г=2477 кДж/кг, Гдл=330 кДж/кг, ^=0,551 Вт/мК, Н=1 м)
Как видно из графиков, температура насыщения пара не превышает 20 0С даже при весьма значительно плотности теплового потока на поверхности десублимированной технологической жидкости в 100 кВт/м2. При этом время плавления слоя десублимата толщиной 20 мм не более одной минуты. На практике это означает, что в составе сублимационной установки не обязательно иметь два десублиматора с их попеременной работой и регенерацией. Достаточно приостанавливать ее работу на 1...2 минуты без развакуумирования для регенерации десублиматора, а затем снова продолжать сушку в расчетном режиме. Это позволяет реализовать непрерывный процесс сублимации или значительно уменьшить размеры десублиматора при ведении процесса в переодическом режиме.
Для быстрой регенерации десублиматора необходима подача большого количества пара из парогенератора 3, что предполагает большую установленную мощность нагревателя 4 (рис. 1). В то же время использование мощного нагревателя здесь нецелесообразно по двум причинам. Во-первых, на поверхности мощного нагревателя возможен локальный перегрев жидкости до недопустимо высокой температуры, во-вторых, время регенерации десублиматора не превышает 1 % от полного
цикла и коэффициент использования нагревателя 4 крайне низок.
Решение проблемы обеспечения большого потока пара при относительно низкой установленной мощности нагревателя возможно путем использования специальных конструкций парогенераторов с максимально возможной аккумуляцией теплоты в них. В этом случае температура парогенератора с жидкостью перед началом процесса регенерации десублиматора должна быть равной предельно допускаемой. Тогда теплота для процесса регенерации будет подводиться не только от нагревателя 4, но и за счет охлаждения парогенератора с водой. После завершения процесса регенерации нагреватель 4 не отключается, а разогревает парогенератор до предельно допускаемой температуры. Очевидно, что при реализации такой конструкции установленная мощность нагревателя может быть уменьшена примерно на два порядка.
Для оценки основных параметров процесса регенерации рассмотрим уравнения теплового баланс
-О+С,(Iн -О=0-(Сл +Спгтпг)(4) —т —т
-т, а (ін - 1пл )
—т ГПЛ
(5)
где Б - свободная поверхность десублимата, на которой происходит конденсация пара; Св -
теплоемкость воды; Спг - средняя теплоемкость материала парогенератора; тв - масса воды в парогенераторе.
Первое слагаемое в левой части уравнения (4) характеризует количество теплоты, выделяемое при конденсации пара на слое десублимата, второе - количество теплоты, затраченное на нагревание расплавленного десублимата от температуры плавления до температуры насыщения. В правой части первое и второе слагаемое характеризуют соответственно тепловой поток от парогенератора, а так же количество теплоты, выделяемое при охлаждении воды и парогенератора.
Уравнение (5) позволяет определить изменение воды в парогенераторе из-за плавления десублимата.
Приближенное решение задачи (в неявной форме) имеет вид:
т =
Е—1,,
Є - ^(I, - 1т )0 75 1 , С, (1н - 1пл )
[ Гпл \
(6)
где
Е=Свтв+Спгтпг;В=0,943^г^3Гпл/СуН(г+Гпл))]0,25; тв - средняя масса воды в парогенераторе, 1но -начальная температура воды в парогенераторе.
Расчеты выполняли в Mathcad.
щения от времени: 1 - тв = 48,8 кг,
2 - тв = 68,8 кг
На рис.3 представлены результаты решения задачи при следующих значениях параметров: тпг=20 кг; Св=4,18 кДж/(кгК); Спг=0,45 кДж/(кгК); п=5; Н=0,4м; Ь=0,8м; 5о=0,02 м; 1но=60 °С; 1^=330 кДж/кг;
г =2477 кДж / кг; Є = 5кВт; р=999 кг/м3;
^=0,5 Вт/мК; рд=900 кг/м3; v=1,3Г10■6 м2/с.
Время охлаждения парогенератора от начальной температуры до равновесной увеличивается при увеличении средней массы
воды в системе, и составляет 1.5_____2 минуты.
При этом количество теплоты, выделяемое за счет охлаждения парогенератора, многократно превосходит количество теплоты, выделяемое нагреванием парогенератора.
На основе определенных характеристик тепловых потоков получаемых от парогенератора и выделяемых при охлаждении регенерируемой жидкости возможно прогнозирование параметров процесса плавления термолабиль-
ных продуктов. Показана возможность развития техники регенерации десублиматов при низких температурах и высоких скоростях течения процесса. Разработанна математическая модель процесса теплообмена при конденсации пара на слое регенерируемого десублимата, которая представляет значительный интерес с точки зрения разработки методик проектирования оборудования для ведения процессов плавления льда потоком пара. Предложена методика регенерации термолабильных продуктов полученных десублимационным фракционированием под воздействием потока пара регенерируемой жидкости, позволяющая значительно сократить энергозатраты и время фазового перехода льда в жидкость.
Литература
1. Жучков А.В. Разработка технологических комплексов для криосублимационного фракционирования биологических тканей [Текст] / А.В. Жучков, И.Е. Шабанов, С.В. Шабунин, А.И. Осецкий - Научнотеоретический журнал «Проблемы криобиологии» / ИПККМ НАН Украины: Макс Пресс, 2005, С. 312-315.
2. Осецкий А.И. Криосублимационное фракционирование биологических материалов [Текст] / Осецкий А.И., Шабанов И.Е., Грищенко В.И., Снурников А.С., Бабийчук Г.А. - Научно-теоретический журнал «Проблемы криобиологии» / Нац. Академия наук Украины Институт проблем криобиологии и криомедицины, 2006
- с. 230-239,10 с. / 2с.
3. Шабунин С.В. Интреграция высокоэффективных криогенных технологий с биологическим скринингом-современный путь создания биологически активных веществ природного происхождения [Текст] / С.В. Шабунин, Востроилова Г.А., Осецкий А.И., Жаркой Б.Л. МатериалыШ съезда биотехнологов России им. Овчинникова Ю.А / М: Макс Пресс, 2005. С. 1291 с./0,2с.
4. Волынец А.З. Регенерация десублиматора потоком пара в вакууме [Текст] / Волынец А.З., Жучков А.В.
- Теор. основы хим. технол. 1993. Т. 27. № 6. С.597-601.
5. Жучков А.В. К расчету регенерации поверхности десублиматора водяным паром в вакууме [Текст] / А.В. Жучков, Матвеев А.П. - Холодильная техника. 1995. № 3 С.31-32.
Воронежский гoсyдарственный унивєрситєт инженерных технологий
MODELING OF TRANSITIONAL PROCESSES REGENERATION DESUBLIMERS A.V. Zhuchkov, I.E. Shabanov, Y.N. Kuzovenko, A.A. Andreev
A mathematical model of heat transfer during vapor condensation on the bed regenerable desublimata. The characteristics of heat flow obtained from the steam generator and allocated during cooling fluid regenerated. Shows the possibility of regeneration techniques desublimatov at low temperatures and high speeds the flow of the process to significantly reduce energy consumption and the phase transition of ice into the liquid
Key words: desublimate fractionation, sublimate fractionation, thermolabile products
