СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА, СОДЕРЖАЩЕГО СВОБОДНУЮ И СВЯЗАННУЮ ВЛАГУ, ПРИ ЛЮБОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ РЕЖИМЕ
METHOD OF FORECASTING OF MAXIMUM SPEED OF CONVECTIVE DRYING OF FINE MATERIAL CONTAINING FREE AND BOUND MOISTURE AT ANY TEMPERATURE CONDITION

Изобретение относится к способам прогнозирования максимальной скорости конвективной сушки материалов, содержащих свободную и связанную влагу, и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности, а так же в научных исследованиях кинетики сушки указанного вида материалов.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения длительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, при смене режима сушки [Патент №2340854 РФ, МПК Кл. F26B 25/22, опубл. 10.12.2008 в Бюл. №34], включающий предварительное исследование кинетики сушки материала, в результате которого экспериментально измеряют ряд значений максимальной скорости сушки, при которой удаляется свободная влага в определенном интервале температур сушильного агента; установление взаимосвязи между температурой сушильного агента и максимальной скоростью сушки методами математической обработки полученных результатов измерений, а максимальную скорость сушки при смене температурного режима в выбранном интервале температур определяют расчетным путем по эмпирическому уравнению.
Недостатками данного способа являются: его трудоемкость и длительность, необходимость проведения большого количества экспериментов и их последующая математическая обработка, полученное эмпирическое уравнение справедливо только в выбранном интервале температур.
Технической задачей изобретения является экспрессность, упрощение способа определения максимальной скорости сушки, точность и надежность прогнозирования, обеспечение возможности прогнозирования максимальной скорости сушки при переходе на любой температурный режим в любом технически возможном и целесообразном интервале температур.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе прогнозирования максимальной скорости конвективной сушки мелкодисперсного материала, содержащего свободную и связанную влагу, при любом температурном режиме, включающем экспериментальное измерение ряда значений максимальной скорости сушки в определенном интервале температур сушильного агента, установление путем математической обработки результатов измерений взаимосвязи между температурой сушильного агента и максимальной скоростью сушки в виде эмпирического уравнения и прогнозирование расчетным путем по полученному эмпирическому уравнению максимальной скорости сушки, при которой удаляется свободная влага, новым является то, что проводят измерения максимальной скорости сушки при двух температурных режимах, в которых температуру сушильного агента измеряют по мокрому термометру или определяют по J-d-диаграмме влажного воздуха и выражают в градусах Кельвина; затем определяют максимальную скорость сушки при любом другом технически возможном и целесообразном температурном режиме расчетным путем по формуле:
,
M
M
1
2
M
M
M
M
-1
где N(T1), N(T2) - максимальные скорости сушки при первом и втором режимах сушки, с; r, r - удельная теплота парообразования жидкости соответственно, при температурах T1, T2, Дж/моль; T1, T2 - абсолютные температуры сушильного агента на входе в сушилку при первом и втором режимах сушки, замеренные по мокрому термометру, K; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·K).
Технический результат изобретения заключается в экспрессности, точности и надежности прогнозирования за счет упрощения способа определения максимальной скорости сушки, обеспечении возможности прогнозирования максимальной скорости сушки при переходе на любой температурный режим в любом технически возможном и целесообразном интервале температур.
Способ прогнозирования максимальной скорости конвективной сушки мелкодисперсного материала, содержащего свободную и связанную влагу, при любом температурном режиме осуществляют следующим образом.
В экспериментальной установке или в промышленном аппарате предварительно проводят конвективную сушку мелкодисперсного продукта при определенном температурном режиме в процессе которой периодически измеряют влагосодержание продукта с целью определения максимальной скорости сушки. Температуру сушильного агента на входе в сушильную камеру измеряют по мокрому термометру или определяют по J-d-диаграмме влажного воздуха и выражают в градусах Кельвина.
Для расчета скорости процесса сушки можно применять законы кинетики химических реакций, в частности максимальную скорость сушки определяют расчетным путем по уравнению:
-1
-1
H
P
M
M
где N - максимальная скорость сушки продукта, содержащего свободную и связанную влагу, с; U, U - соответственно начальное и равновесное влагосодержание продукта, кг/кг; А - коэффициент, с; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·K); T - абсолютная температура сушильного агента на входе в сушильную камеру, K; r - удельная теплота парообразования жидкости при температуре T, Дж/моль.
M
M
М
М
Рассмотрим два режима сушки одного и того же продукта, которые отличаются только значением температуры сушильного агента на входе в сушильную камеру при прочих равных параметрах. Рассчитаем по уравнению (1) максимальные скорости сушки N(T1) и N(T2) соответственно при абсолютных температурах сушильного агента Т1 и Т2;
Разделив уравнения (2) и (3) и преобразовав результат, получим уравнение для расчета максимальной скорости сушки при смене одного температурного режима на другой:
1
2
М
М
где r, r - удельная теплота парообразования жидкости при температурах соответственно Т1 и Т2, Дж/моль.
Способ прогнозирования максимальной скорости конвективной сушки мелкодисперсного материала, содержащего свободную и связанную влагу, при любом температурном режиме поясняется следующими примерами.
C
M
Пример 1. В качестве практической реализации предлагаемого способа в таблице 1 приведены результаты по конвективной сушке в фонтанирующем слое при относительной скорости фонтанирования 1,1 (отношение скорости воздуха под газораспределительной решеткой при данном режиме сушки к скорости воздуха, соответствующей началу фонтанирования), эквивалентом диаметре частиц 3,8 мм, начальной высоте слоя казеина в сушильной камере 0,1 м, начальном влагосодержании казеина 1 кг влаги / кг сухого казеина. При этом для определения температурного режима сушки измеряли температуру сушильного агента (воздуха) на входе в сушильную камеру как по сухому термометру t, так и по мокрому t. Максимальную скорость сушки казеина определяли по уравнению [Патент RU №2340854 «Способ определения длительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, при смене температурного режима сушки». Арапов В.М., Арапов М.В., Бутурлин С.В., Попов К.С.; опубл. 10.12.2008, Бюл. №34].
Удельную теплоту парообразования воды определяли при температуре мокрого термометра в расчете на 1 кмоль.
M
Если экспериментальное значение максимальной скорости сушки казеина при температуре сушильного агента по сухому термометру - t=38.5°С, принять за исходное, то измерив температуру сушильного агента по мокрому термометру при других температурных режимах сушки, по уравнению
,
можно спрогнозировать соответствующее значение максимальной скорости сушки.
Таблица 1.
№ n/n
Температура сушильного агента
r, кДж/кмоль
Максимальная скорость сушки, с<sup>-1</sup>
<maths num="1"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>N</mi><mi>p</mi></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn></mrow></math><img file="00000008.tif" he="12" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, %
t<sub>C</sub>, °C
t<sub>M</sub>, °C
Т<sub>М</sub>, K
Эксперим. значение N·10<sup>2</sup>
Рассчет. значение Np·10<sup>2</sup>
1
120
38,5
311,65
43314
0,185
-
-
2
140
41
314,15
43211
0,218
0,22
-0,9
3
160
43,5
316,65
43106
0,253
0,261
-3,4
4
180
45,5
318,65
43022
0,289
0,298
-3,1
Пример 2. В таблице 2 приведены данные по конвективной сушке обессахаренной свекловичной стружки, а также расчетные данные (патент RU №2340854 «Способ определения длительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, при смене температурного режима сушки», Арапов В.М., Арапов М.В., Бутурлин С.В., Попов К.С.; опубл. 10.12.2008, Бюл. №34). В связи с отсутствием в источнике данных по температуре сушильного воздуха, замеренной по мокрому термометру, ее значение определяем по J-d-диаграмме влажного воздуха на основании температуры воздуха, замеренной по сухому термометру, и по принятому значению - в г воды / кг сухого воздуха, влагосодержания воздуха. Указанное влагосодержание воздуха является наиболее вероятным в центрально-черноземном регионе России.
Таблица 2
№ п/п
Температура сушильного агента
r, кДж/кмоль
Максимальная скорость сушки, мин<sup>-1</sup>
<maths num="2"><math display="block"><mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><msub><mi>N</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mtext>N</mtext></mfrac><mn>100</mn></mrow></math><img file="00000009.tif" he="13" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, %
t<sub>c</sub>, °C
t<sub>м</sub>, °C
Т<sub>м</sub>, K
Экспериментальное значение, N,
Расчетное значение, N<sub>p</sub>,
1
50
23
296
43946
0,100
0,101
-1,0
2
60
25
298
43864
0,120
0,117
2,5
3
70
29
302
43701
0,152
0,158
-3,9
4
80
31
304
43620
0,190
0,184
3,2
5
90
34
307
43498
0,228
-
-
c
Если максимальную скорость сушки при температурном режиме №5, t=90°C, принять за исходное значение, то значения максимальной скорости сушки при других температурных режимах можно спрогнозировать расчетом по уравнению (4).
Полученные данные могут быть использованы в процессе сушки для регулирования скорости процесса сушки.
Преимущества описанного способа перед известным заключаются в сокращении количества экспериментальных измерений максимальной скорости сушки; не требуется проводить математическую обработку результатов измерений с целью получения экспериментального расчетного уравнения; максимальную скорость сушки можно спрогнозировать при смене температурного режима на любой другой целесообразный и технически возможный режим, этот способ характеризуется точностью, надежностью, экспрессностью.
Предлагаемый способ может быть применен при создании или испытании нового сушильного оборудования или технологии сушки, а также при автоматизации и регулировании сушилок.
Позволяет:
- интенсифицировать процесс прогнозирования за счет упрощения экспериментальной части и математической обработки;
- снизить трудоемкость;
- расширить возможность прогнозирования при переходе на любой температурный режим и в любом целесообразном и технически возможном интервале температур;
- рассчитать максимальную скорость сушки с более высокой точностью, надежностью в экспрессном режиме.