CC BY
35
Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, В.Б. Сажин, А.В. Костылева, О.Ю. Дорушенкова, Т.В. Соколова
Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АППАРАТА ДЛЯ СУШКИ И ГРАНУЛЯЦИИ РАСТВОРА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В СИСТЕМАХ РАСПЫЛИВАНИЯ И УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛИ ПРОДУКТА
In work increase of efficiency of the device for drying and granulations of a solution is considered by application of acoustic fields in modes of operation dusting and dust removal devices on an example of the device for drying and the granulation, a parallel current of movement of a solution working by a principle and the heat-carrier. As the heat-carrier air which is heated up in a gas heater is used, and in quality dusting devices the acoustic vortical atomizer is used. As the first step of clearing of air from a dust of a product the cyclones connected by means of the sound channel with a sound column, working in an optimum range of frequencies from 15 up to 16 ^z with intensity of a sound from 2 up to 3 Vt/sek are used, thus duration of processing is carried out by a radiator of a sound in a time interval from 2 about 5 minutes, and as the second step of clearing is used the filter sleeving .
В работе рассмотрено повышение эффективности аппарата для сушки и грануляции раствора путем применения акустических полей в режимах работы распыливающих и пылеулавливающих устройств на примере аппарата для сушки и грануляции, работающего по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной, работающей в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут, а в качестве второй ступени очистки используется рукавный фильтр.
Рассмотрим повышение эффективности аппарата для сушки и грануляции раствора путем применения акустических полей в режимах работы распыливающих и пылеулавливающих устройств на примере аппарата для сушки и грануляции. Рассмотрим режим работы распылительной сушилки, работающей по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя, схема которой представлена на рис.1,2. В качестве теплоносителя используется воздух, нагреваемый в газовом калорифере, а в качестве распыливающего устройства используется акустическая вихревая форсунка, схема которой приведена на рис.3. В качестве первой ступени очистки воздуха от пыли продукта используются циклоны, соединенные посредством звукового канала со звуковой колонной 6, работающей в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек, при этом продолжительность обработки излучателем звука осуществляется во временном интервале от 2 до 5 минут, а в качестве второй ступени очистки используется рукавный фильтр 7.
Рассмотрим расчет аппарата для сушки и грануляции раствора (никотиновой кислоты - витамина РР) со следующими техническими условиями на протекание процесса распылительной сушки: температура плавления 196 °С; температура терморазложения 425 °С; плотность гранулы 1400 кг/м ; удельная теплоемкость гранул 0,88 кДж/(кг* К); суммарная удельная теплота концентрирования и кристаллизации 835 кДж/кг; концентрация перерабатываемого раствора 16 %; влажность готового продукта не более 0,2 %; средний размер гранул 2 мм. Для получения 1000 т в год готового продукта надо перерабатывать 6000 т в год 16 %-го водного раствора. При режиме работы 6800 ч в году производительность аппарата составляет: по перерабатываемому раствору Gp = 6000х
103/6800 = 882 кг/ч; по готовому продукту Gг = 1000x103/6800 = 147 кг/ч; по испаренной влаге и = 882 - 147 = 735 кг/ч.
Рис.1. Схема аппарата для сушки и грануляции, работающего по принципу параллельного тока движения раствора и теплоносителя: 1-корпус аппарата, 2-отверстие для первичной загрузки материала, 3-перфорированная решетка, 4-газораспределительное устройство, 5-пневматическая форсунка, 6-звуковая колонна, 7-рукавный фильтр, 8-бункер рукавного фильтра.
/ 0 С / © © ) © N. / Л ф\
/ V/ и у ?1Сф ІС.Ф / Т . и> СУ ис.сеп .
\ 0гУ 0 \ и реш © ©
\ © а => © у'
Рис. 2. Схема расположения сопел локальных факелов на решетке аппарата
Для распыления раствора используем акустическую форсунку, представленную на рис.3. Геометрические размеры форсунки рассчитываем исходя из коэффициента расхода равного ц =0,6 и давления р =100 атм. Тогда диаметр выходного сечения форсунки будет равен
5о = V (Ох / (0,785 ц V (2§ А р/ р р ))) = '^(2,440'4/(0,785Ю,6^9,8Ь99404/1100))) = 1,95-10"3 = 1,95 мм, (1)
где: Ох - количество распыливаемого раствора в м3/сек; р р - удельный вес раствора, равный 1100 кГ/м.
Согласно экспериментальным данным [1] максимальный диаметр факела распыла составляет 3,5 м. Принимаем диаметр сушильной камеры равным Б^=3,5 м.
Средняя скорость воздуха в камере
и = 4(у'о +у"о)Ь/(3600-2- лБ\) = 4(1,65 + 1,19)8050/(3600^2-3,14-3,52) ~ 0,3 м/сек, (2) что удовлетворяет основным требованиям работы сушилки.
Рис. 3. Схема акустической форсунки: 1-корпус, 2-газовый канал, 3-полый стержень, 4-сопло, 5-кольцевой резонатор, 6-кольцо, 7-коническая поверхность, 8-распылитель, 9- кольцевая площадка, 10-резьбовое соединение, 11-калиброванные прокладки, 12-калиброванные отверстия, 13-звуковой генератор.
Акустические колебания распиливающего агента способствуют более тонкому распыливанию раствора, подаваемого в канал 3. Из шнекового завихрителя 8 жидкость вытекает в виде пленки на площадку 9, а затем дробится под воздействием акустических колебаний воздуха на мелкие капли, в результате чего образуется факел распыленного раствора с воздухом, корневой угол которого определяется величиной угла наклона конической поверхности 7 кольца 6. При этом частота акустических волн, излучаемых резонатором лежит в оптимальном диапазоне частот от 15 до 16 кГц с интенсивностью звука от 2 до 3 Вт/сек.
На рис. 4 представлены схемы систем, состоящих из резонаторов и их динамические характеристики, отвечающие требованиям резонансных излучателей акустической форсунки, причем каждая из схем включает в себя резонансные отражатели, настроенные на определенный частотный диапазон.
Ю
Рис. 4. Системы из резонаторов и их характеристики: а - система из двух резонаторов Гельмгольца: 1 и 2 - резонаторы; 3 - соединительная труба; б - система из трех резонаторов; г - характеристики систем а, б, при одинаковом суммарном объеме камер резонаторов.
Физический эффект работы таких систем основан на том, что при резонансном совпадении собственной и возбуждающей частот амплитуда скорости колебания воздуха в горле резонатора, которым являются отверстия в перфорированной вставке, рез-
ко возрастает, вызывая значительное возрастание мощности падающей звуковой волны (эффект резонатора Гельмгольца) [5].
Максимальное увеличение энергии для одиночного резонатора будет наблюдаться на резонансной частоте:
їр = 0Мк„ / V)0-5 / * , (3)
где кр - проводимость отверстий ,соединяющих трубопровод с резонаторной камерой объемом Vр (м3);
к = П°/, + 0,ъЩ) • <4)
отв
где п - количество отверстий во вставке; So - площадь одного отверстия диаметром ёо ,м2 ; /отв - глубина отверстия, м.
Задаваясь величиной объема Vр резонаторной полости, а также резонансной частотой_/р, , Гц, определяем проводимость отверстий :
кр = АУрп2Грс~\ (5)
и их количество П = кр(1отв + )/^0 . (6)
Аппарат проектируем по варианту, когда вся влага раствора испаряется в объеме факела с завершением кристаллизации материала.
Учтем теперь, что вихревое движение газа вызывает соответствующее движение частиц аэрозоля. Гидродинамическая сила пропорциональна квадрату скорости газа, т.е., в конечном счете, энергии звуковой волны. В соответствии с этим, в монодис-персном аэрозоле с частицами диаметром ё на частицу, расположенную на расстоянии х от пучности колебаний, действует сила, равная в первом приближении
5_2 ёз
Рр тах = Еа ^П (2кх) = ^ Ып{2кх) (7)
Решая это уравнение методом разделения переменных, получим
Ос =1 ёт = ^ ВТ
$лп(2кх) 2к 8т(2кх) 3ж/лгёч
1п|tg(кх)| - 1п^(кх0) = ^0Вт;
^ (кх) = ^ (кхо )ехР(^0 Вт1
х = 1 аг^ ^ (кх0 )ех Р(^0 Вт)\ к
Используя уравнение движения частицы, нетрудно установить закономерность изменения ее положения в объеме, а, следовательно, и изменение численной концентрации частиц. На рис. 5 показано последовательное распределение относительной концентрации частиц, которые в начальный момент времени были распределены равномерно. Как показывают расчеты, в этих условиях концентрация частиц в пучностях колебаний за 20 с возрастает вдвое, а за 40 с - втрое.
Приведенные зависимости пока не объясняют наблюдающиеся при данной интенсивности звуковых колебаний скорости укрупнения частиц (обычно 15-20-кратное увеличение среднего диаметра частиц за 20 с), однако необходимо иметь в виду, что из
(8)
предыдущего рассмотрения были исключены некоторые факторы, способствующие повышению давления звуковых волн и их влияния на коагуляцию.
3,5
сз 3.0
& 2.5
к S 2.0
сч сз Я 1,5
из S 1.0
5
О О 0 5
« 5 0,0
3
S S
/ ’ 2 , ->
/
1 \
— _ — - <** Г ►
1 —™
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90
к*, град
Рис. 5. Изменение относительной концентрации частиц в акустическом поле: 1 - исходное
состояние; 2 - через 23 с; 3 - через 43 с
В плоской стоячей волне гидродинамическая сила, действующая на малую сферическую частицу, определяется выражением
nd3
F (x) = —кЕащ sin (2kx), (9)
При высокой интенсивности звука искажение, обусловленное конечным значением амплитуды колебаний, приводит к передаче энергии высшим гармоническим составляющим. Это вызывает образование дополнительных пучностей колебаний основной частоты, и, таким образом, звуковое поле может сильно отличаться по своему характеру от простого синусоидального поля.
Выводы.
Проведенный анализ исследований по акустической коагуляции, изложенный в работе, позволяет сделать вывод, что использование данного процесса может существенно повысить эффективность улавливания частиц так как при правильном выборе интенсивности звуковых колебаний - время коагуляции аэрозоля может быть сокращено с нескольких часов до нескольких секунд.
Список литературы
1. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия,1984. -320 с.
2. Голубев Л.Г. Сушка в химико-фармацевтической промышленности/ Л.Г.Голубев, Б.С. Сажин, Е.Р.Валашек.- М.: Медицина, 1978. -272 с.
3. Лыков М.В. Сушка распылением. М.: Пищепромиздат, 1955.
4. Лыков М.В.Распылительные сушилки/ М.В.Лыков, Б.И.Леончик. М.: Машиностроение, 1966.
5. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985.
6. Швыдкий B.C. Теоретические основы очистки газов: Учебник для вузов/ B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев, Д.В. Швыдкий.-М.: Машиностроение-1, 2001.-502с.
7. Борьба с шумом на производстве: Справочник /Под общ. ред. Е.Я. Юдина - М.: Машиностроение, 1985. - 400 с.
8. Кочетов О.С.Снижение шума и вибраций в производстве: Теория, расчет, технические решения/ О.С.Кочетов, Б.С.Сажин.- М., 2001.-319 с.
