книги из ГПНТБ / Попов В.Д. Основы теории тепло- и массообмена при кристаллизации сахарозы

Располагая температурами утфеля гу для каждого момента варки, легко определить изменяющиеся во времени т полезные температурные напоры:

цосле закрепления центров кристаллизации), и измене­ ния расчетных величин отсчитывать с этого момента времени, считая период сгущения сиропа до заводки кри­

воды и растворов и в вакуум-аппаратах: в обоих случаях существуют условия оптимальной теплоотдачи и опти­

рева (Й = 0,25) отмечено падение местного коэффициен­ та теплоотдачи в направлении уровня утфеля, по-види­ мому, вследствие недостаточного орошения (высокого паросодержания) в верхней части участка. При высоких уровнях утфеля наблюдалось увеличение коэффициента теплоотдачи в верхних секциях в связи с перемещением

В исследуемом контуре невозможно было произво­ дить измерения при # / L > l , 5 . Однако и в этих пределах обнаруживалось, что средние по поверхности нагрева коэффициенты теплоотдачи повышаются до максималь­ ного значения при определенной глубине затопления, называемой оптимальной (рис. IV—15). При сравнении двух кривых для сиропа (С5 = 70% и СЛ = 80%), в соот­ ветствии с известными данными других авторов [230 233 и др.] обнаруживается смещение оптимума кривой для большей концентрации сиропа в сторону возрастаю­ щей глубины затопления. Кривая для жидкого утфеля (СВ — 87-^89% с содержанием кристаллов около 25%) также стремится к экстремуму, который намечается для данных условий вблизи й=1; меньшие уровни не иссле­ довались из-за опасения пригорання утфеля и порчи измерительного зонда из термопар [144].

Полупромышленный стенд ЦИНСа [21, 246, 254, 255] позволил пройти весь диапазон значений й до предельно возможных (рис. IV—16, а) и четко выявить предпола­ гаемый оптимум теплоотдачи для утфеля с содержанием кристаллов до 50%, На рисунке совмещены кривые для

различного содержания кристаллов. Интересной особен­ ностью является слияние правых ветвей кривых в одну прямую при любом содержании кристаллов, что объяс­ няется постоянством свойств маточного раствора и отно­

части трубы сведен к минимуму, а участок кипения ут­ феля занимает практически всю длину трубы. Слева от максимума теплопередачи наблюдается быстрый рост интенсивности теплообмена за счет повышения скоро­ сти циркуляции, примерно одинаковый при разном со-,

стания уровня раствора в аппарате. Однако, если режим питания аппарата не противоречит требованиям техно­ логии (например, при варке рафинадного утфеля), то соответствующим режимом подкачки можно достичь «скольжения» рабочей точки процесса по ниспадающей кривой (рис. IV—16, а) таким образом, чтобы закон повышения уровня утфеля совпадал с законом смещения

ности нагрева и содержания кристаллов. Максимумы скоростей циркуляции с ростом содержания кристаллов достигаются при более высоких уровнях утфеля вслед­ ствие увеличения движущих напоров циркуляции за счет вскипания перегретого утфеля над поверхностью нагрева (см. рис. IV—9). Заметим, что этот эффект усиливается по мере увеличения общей температурной депрессии как за счет роста концентрации маточного ра­ створа (особенно в последних продуктах в связи с кон­ центрацией несахаров и повышением коэффициента пе­ ресыщения), так и за счет гидростатического давления слоя утфеля.

Как и при кипении растворов, зависимость скорости циркуляции утфеля от уровня неоднозначна, а абсолют­ ные значения скорости действительны только для дан­ ного контура циркуляции. Поэтому при практических расчетах важно выяснить по крайней мере два вопроса:

мания, математического описания и организации про­ мышленной кристаллизации сахарозы. Ими опреде­ ляются: а) кинетика теплообмена, обусловленная зако­ номерностью повышения уровня утфеля в аппарате, влия­ нием паросодержания и перемешивания утфеля; б) ки­ нетика массообмена, зависящая от величины равнодоступ­ ной поверхности кристаллизации [257]; в) кратность обмена циркулирующей массы и отсюда время пребыва­ ния утфеля в рабочем объеме аппарата и соответствую­

ного процесса [64, 125]; д) технологическая характери­ стика продукта — фракционный состав, наличие «прига­ ра», корок в застойных местах аппарата; е) поля тем­ ператур, концентраций, пересыщений; ж) основное раз­ личие в работе аппаратов периодического и непрерыв­ ного действия и т. д.

Имеющиеся данные позволяют производить некото­ рые приближенные расчеты и оценить характер влияния скорости течения утфеля на теплоотдачу и технологиче­ ские показатели процесса. Однако для решения многих упомянутых вопросов имеющиеся гидродинамические данные недостаточны.

Изучение гидродинамики процесса в кристаллиза­ ционной аппаратуре начато недавно и находится в стадии первичного накопления опытных данных и их полуэмпи­ рической обработки. Исследование законов движения утфелей и пароутфельных смесей в связи с кинетикой тепло- и массообмена является необходимой предпосыл­

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В УТФЕЛЬНЫХ ВАКУУМ-АППАРАТАХ И КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ

О Б Щ И Е СВЕДЕНИЯ

Опытные данные, использованные для обобщения

Опытные данные по теплопередаче к утфелю, нако­ пленные до 1956 г., обобщены в работе [163]. Последую­ щие данные содержатся в опубликованных работах

Использованные данные обобщены в широком диапа­ зоне изменения факторов, влияющих на тепло- и массообмен при кристаллизации, путем сопоставления лабо­ раторных, модельных и промышленных опытов на основе

сталлизаторах отличаются большой сложностью и пока не описываются замкнутой системой дифференциальных уравнений и условий однозначности. На современном уровне наших знаний о взаимосвязи гидродинамики, теп­ ло- и массообмена при кристаллизации сахара мы оста­ емся в пределах инженерных приближений. В этих пре­ делах учение о теплообмене в утфелях доведено до уровня феноменологического описания физики процесса, как и в известных ранее случаях кипения жидкости, не содержащей твердой фазы. Такое состояние вопроса не может полностью удовлетворить современным требова­ ниям науки, но сейчас уже нельзя говорить о полной отсталости в изучении теплообмена в утфелях, как это было 20 лет назад. За последние годы создана база для инженерных тепловых расчетов кристаллизационной ап­ паратуры периодического и непрерывного действия, на основе которой возможны последующее изучение дета­ лей процесса промышленной кристаллизации и его ана­ литическое описание.

Учение о тепло- и массообмене при кристаллизации сахарозы только формируется. Поэтому возможны спор­ ные положения и дискуссионные решения, обсуждение которых должно привести к истине.

Процесс теплоотдачи к утфелю нестационарен вслед­ ствие непрерывного изменения условий энергетического и материального обмена. Поэтому для получения дан­ ных о текущих значениях тепловых потоков, коэффици­ ентов теплоотдачи и теплопередачи при проведении опы­ тов и их обработке применялся метод квантования по времени в конечных разностях. В условиях промышлен­

невозможно. В лабораторных условиях удавалось при­ близиться к режиму работы при постоянной концентра­ ции утфеля путем возврата в аппарат конденсата вто­ ричного пара, но и здесь нельзя было избежать укруп­ нения частиц твердой фазы. Так были получены данные о зависимости теплоотдачи от основных влияющих фак­ торов в квазистационарных условиях, необходимые для критериального обобщения результатов опытов. В даль­ нейшем было введено представление о кинетике тепло­ обмена с соответствующей математической моделью процесса [268].

Соотношения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при уваривании утфеля

при периодической варке термическое сопротивление на­ кипи бн/А,н практически отсутствует, так как кристаллы «зачищают» поверхность нагрева до блеска. Накипеобразование и наслоение корки сахара могут возникнуть в концентраторе и кристаллогенераторе вакуум-аппаратов непрерывного действия. Термическое сопротивление ме­ таллических труб бст/А,ст невелико.

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стен­ ке аі достигает значений от 5000 до 15 000 Вт/(м 2 - К) и значительно выше коэффициента теплоотдачи от стен­

жим течения конденсата t20<ReK <180, см. главу ІГІ); при этом в связи с уменьшением тепловых потоков и массового напряжения поверхности нагрева к концу варки коэффициент aj увеличивается при одновременном падении коэффициента аг из-за уменьшения интенсивно­ сти кипения и роста твердой фазы [155, 156].