СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА, СОДЕРЖАЩЕГО СВОБОДНУЮ И СВЯЗАННУЮ ВЛАГУ, ПРИ ЛЮБОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ РЕЖИМЕ Российский патент 2015 года по МПК F26B21/10 

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.

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.⁷ 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:

,

где N(T_M1), N(T_M2) - максимальные скорости сушки при первом и втором режимах сушки, с^-1; r₁, r₂ - удельная теплота парообразования жидкости соответственно, при температурах T_M1, T_M2, Дж/моль; T_M1, T_M2 - 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:

где N - максимальная скорость сушки продукта, содержащего свободную и связанную влагу, с^-1; U_H, U_P - соответственно начальное и равновесное влагосодержание продукта, кг/кг; А - коэффициент, с^-1; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·K); T_M - абсолютная температура сушильного агента на входе в сушильную камеру, K; r - удельная теплота парообразования жидкости при температуре T_M, Дж/моль.

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(T_M1) и N(T_M2) соответственно при абсолютных температурах сушильного агента Т_М1 и Т_М2;

Разделив уравнения (2) и (3) и преобразовав результат, получим уравнение для расчета максимальной скорости сушки при смене одного температурного режима на другой:

где r₁, r₂ - удельная теплота парообразования жидкости при температурах соответственно Т_М1 и Т_М2, Дж/моль.

Способ прогнозирования максимальной скорости конвективной сушки мелкодисперсного материала, содержащего свободную и связанную влагу, при любом температурном режиме поясняется следующими примерами.

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_C, так и по мокрому t_M. 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.

Если экспериментальное значение максимальной скорости сушки казеина при температуре сушильного агента по сухому термометру - t_M=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^-1 $$\frac{N-Np}{N}\cdot 100$$ , % t_C, °C t_M, °C Т_М, K Эксперим. значение N·10² Рассчет. значение Np·10² 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^-1 $$\delta =\frac{N-N_p}{\text{N}}100$$ , % t_c, °C t_м, °C Т_м, K Экспериментальное значение, N, Расчетное значение, N_p, 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 - -

Если максимальную скорость сушки при температурном режиме №5, t_c=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.

Изобретение может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности, а также в научных исследованиях кинетики сушки указанного вида материалов. Способ прогнозирования максимальной скорости конвективной сушки мелкодисперсного материала, содержащего свободную и связанную влагу, при любом температурном режиме, включает 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. Предлагаемый способ позволяет рассчитать максимальную скорость сушки с более высокой точностью, надежностью в экспрессном режиме. 2 табл.

Способ прогнозирования максимальной скорости конвективной сушки мелкодисперсного материала, содержащего свободную и связанную влагу, при любом температурном режиме, включающий 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, отличающийся тем, 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

где N(T_M1), N(Т_М2) - максимальные скорости сушки при первом и втором режимах сушки, с^-1; r₁, r₂ - удельная теплота парообразования жидкости соответственно при температурах Т_М1, Т_М2, Дж/моль; Т_М1, Т_М2 - абсолютные температуры сушильного агента на входе в сушилку при первом и втором режимах сушки, замеренные по мокрому термометру, К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К).