книги из ГПНТБ / Попов В.Д. Основы теории тепло- и массообмена при кристаллизации сахарозы
.pdfизображением |
процесса на диаграммах энтальпий — во- |
||||
досодержание |
(см. главу II ) и теплообмена |
(см. гла |
|||
ву V ) . Дл я примера покажем |
графики процессов тепло |
||||
обмена |
при |
различных |
дополнительных |
условиях |
|
(рис. IX—4, а). |
|
|
|
||
Линия |
АБ |
соответствует |
работе аппарата |
при по |
|
стоянном |
температурном |
напоре (A^ = const) |
и сгуще- |
||
Рис. IX—4. Изображение вариантов процесса сгущения утфеля на диаграмме теплообмена (а) и энтальпии (б).
нии раствора от СВН до СВК. Линия АВ описывает неко
торый |
промежуточный |
процесс |
с возрастающими |
At, |
||||||||||
который |
в пределе |
переходит |
|
в процесс |
при 9 = const |
|||||||||
(линия |
АГ), |
соответствующий |
|
условию |
|
минимальной |
||||||||
поверхности* нагрева |
секций. |
Дальнейшее |
повышение |
|||||||||||
А^ (линия |
АД) |
приводит к возрастанию |
теплового пото |
|||||||||||
ка от головных к хвостовым секциям |
аппарата. |
|
|
|||||||||||
Ступенчатые |
линии |
ЕЖЗИКБ |
на обеих |
диаграммах |
||||||||||
(рис. IX—4, а, б) |
изображают |
процесс |
сгущения |
в трех |
||||||||||
последовательных |
секциях (/, |
//, III), |
|
работающих |
с |
|||||||||
убывающими |
температурами |
кипения |
и |
уменьшающи |
||||||||||
мися температурными |
напорами; в |
случае |
возрастаю |
|||||||||||
щих |
|
процесс |
изобразится |
ступенчатой |
линией |
|||||||||
ЕЖЗ'И'К'Б'. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из сопоставления вариантов с убывающими и возра стающими значениями At следует, что надо отдать пред
почтение второму варианту, |
приближающему (особенно |
при большом числе ступеней) |
процесс уваривания к ре |
жиму q = const. Этот случай |
соответствует минимальной |
суммарной поверхности нагрева, следовательно, наилуч-
шсму использованию сс при существующем распределе нии по секциям.
Сгущение раствора и утфеля изображается отрезка ми линии ЕЖ, ЗИ и КБ; переходы утфеля из одной сек ции в другую (без учета самоиспарения) —линиями ЖЗ
и И К.
При любом способе размещения поверхности нагрева по секциям должно быть выдержано соответствие объе мов секций массовому графику варки. Реакционный (ра бочий) объем секций рассчитывается с учетом режима питания аппарата раствором и должен возрастать от головной к хвостовой секции во избежание «подпора» утфеля и возвратного его движения. Это видно из при ближенной формулы
|
|
|
V |
, |
— |
( I |
X - |
3 |
5 |
) |
где |
Vі — минимальный |
(без |
учета |
паросодержания |
и |
буферного |
||||
|
запаса) |
объем |
данной |
секции; |
|
|
|
|
||
|
Ат,- — время пребывания утфеля в секции; |
|
|
|
||||||
|
pi — плотность утфеля в |
данной секции. |
|
|
|
|
||||
Удельную поверхность |
р. |
следует |
исчислять по |
объ- |
||||||
— |
||||||||||
|
|
|
|
Vi |
|
|
|
|
|
|
ему |
некипящего |
утфеля. |
Начальный |
набор |
|
аппарата |
||||
должен быть таким, чтобы в конце первого периода вар ки пересыщенный сироп полностью орошал поверхность нагрева во избежание пригорання раствора и образова
ния корки |
на внутренней поверхности кипятильных труб |
и трубной |
решетке. |
Поэтому масса начального сиропа определяется кон |
|
струкцией |
аппарата и запасом водосодержания (по тер |
минологии |
В. И. Толубинского) кипящего пересыщен |
ного раствора [233]. Дальнейшая закономерность роста массы утфеля и его уровня зависит от геометрическиххарактеристик аппарата, режима подкачки и выпарива ния воды, предельного объема навариваемой массы.
РАСЧЕТ КРИСТАЛЛОГЕНЕРАТОРА
Методика расчета кристаллогенератора, разработан ная в основном С. И. Сиренко, пригодна как для перио дического, так и для непрерывного процесса кристалли зации. Расчеты основаны на исходных данных о вероят ности образования кристаллов, длительности латентного
19* 291
периода и уравнениях материального баланса при мак симальных допущениях (см. главу V I ) .
Статический материальный баланс процесса варки изображен на рис. IX—5 в соответствии со структурной
Рис. IX—5. Схема материального баланса вакуумаппарата непрерывного действия.
схемой вакуум-аппарата непрерывного действия |
систе |
||
мы КТИППа, состоящего из концентратора Кц, |
кристал- |
||
логенератора Кг и камеры роста кристаллов КР. |
Схема |
||
материального баланса |
дает приближенные |
соотноше |
|
ния между удельными |
величинами без учета |
распреде |
|
ления их во времени процесса. На рисунке видно:
1) деление исходного сиропа на два потока — затра вочный первый и питающий второй, которые после уда ления воды сливаются в поток готового утфеля;
2) образование молодого утфеля в кристаллогенераторе с удельной массой кристаллов gKV. кг;
3) |
удаление |
основной |
части воды £ В Д 2 из |
второго |
потока; |
|
|
|
|
4) |
переход |
несахаров |
из обоих „потоков в |
утфель |
(ёяс.лг |
И £ н с . п 2 ) |
И Т. Д. |
|
|
Очевидны следующие конечные соотношения мате риального баланса потоков:
а) баланс массы использованного сиропа:
|
Gx + G 2 = W H i + W H j + Gy ; |
( 1 Х _ 3 6 ) |
|
б) баланс |
воды в сиропе: |
|
|
|
W i + ^ W ^ + W^ + Wy-,- |
( I X _ 3 7 ) |
|
в) масса воды в потоках: |
|
|
|
IT, = G i (' |
; г * - |
« °> 0 - - ж - ) : |
<1Х -38 > |
г) масса воды, испаренной из первого потока:
|
|
^ = ^ ( 1 - 7 ^ 7 ) ; |
( К - 3 9 ) |
||||
д) |
масса воды в утфеле: |
|
|
|
|
||
|
|
|
*y = < > y ( i - T W - ) ; |
( 1 Х - 4 0 ) |
|||
е) |
масса утфеля |
|
|
|
|
||
|
|
|
СБ, |
|
СВ2 |
( 1 Х _ 4 1 ) |
|
|
|
G y |
= C i _ _ |
1 _ + |
C 2 _ A . |
||
В результате решения уравнений материального ба |
|||||||
ланса |
определяется |
соотношение потоков сиропа: |
|||||
|
G l |
= |
СВг-СВи |
^ |
(100 |
-СБу) |
(IX—42) |
|
— |
|
|
— . |
|||
|
Ог |
|
Cfli (СВу-СВму) |
|
100 |
|
|
Концентрации |
потоков |
СВі |
и |
СВ2 обычно |
заданы; |
||
СБу находят по технологическим соображениям в соот ветствии с возможным выходом кристаллов из данного продукта Кру; величина СВМ .у определяется по жела тельному выходу кристаллов КРм.у из кристаллогенера-
тора при данных |
условиях — температуре и пересыще |
||||
нии. По данным |
С. И. Сиренко и И. Г. Бажала содер |
||||
жание |
сухих веществ |
в |
«молодом» |
утфеле |
|
|
|
|
|
10*Л# |
|
где П и |
Н — пересыщение |
и |
растворимость |
при температуре Т в |
|
кристаллогенераторе.
Последние величины подбирают с помощью построе ния процесса на /—х-диаграмме (см. главу II ) или рас считывают по уравнению
|
|
г / Ь у и о |
tea |
"1 |
|
* - « р [ ( т ) т - ™ н г } |
( 1 Х - 4 4 ) |
||||
где Ь =1,272 • 10е см 6 |
• К3 /эрг3 ; |
|
|
|
|
а — коэффициент |
поверхностного |
натяжения |
на границе |
раство |
|
ра и кристалла |
(см. табл. II—7 в главе I I ) . |
|
|||
|
BJ |
0,3 |
№ |
Qf I |
|
/ | |
1 |
1 |
1 |
П J |
|
-С |
|
|
1 |
и |
|
|
Рис. IX—6. |
Изображение |
рабочего |
|
|
||
процесса |
в кристаллогенераторе. |
|
|
|||
В соответствии с опытными данными КТИППа усло |
||||||
вие устойчивой генерации |
кристаллов |
записывается |
так: |
|||
В >0,5 . |
|
|
|
|
|
|
Процесс образования |
кристаллов |
показан |
на |
диа |
||
грамме состояния сахарных растворов (рис. |
IX—6). |
|||||
Здесь АВ — сгущение |
раствора по изобаре; ВС — самоис |
||
парение при переходе |
массы в камеру кристаллообразо |
||
вания; CD—получение молодого утфеля с содержанием |
|||
на "выходе сухих |
веществ |
С В М у, необходимым для рас |
|
чета по формуле |
(IX—42) |
[204, 212]. |
|
Из уравнения |
(IX—42) |
можно получить формулу для |
|
определения массы первого потока, используя выраже ние (IX—38),
СВ2СВму |
(100 |
-СВу) |
|
G l = W"> св, ( l o o - с б „ л |
( с в у - с в н у ) ' |
( 1 Х _ 4 5 ) |
|
При |
проектном |
расчете |
№Н а |
известно из |
построения |
||||
массового графика |
варки; |
при |
проверочном |
расчете |
WZi |
||||
определяют через тепловую производительность |
QK. р ка |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ті |
|
|
|
меры |
роста с поверхностью |
нагрева |
FK, р = 2 ^ ь |
^ Р и |
и з ' |
||||
|
|
|
|
|
|
і |
|
|
|
вестных поверхностях Fi и тепловых потоках q\ |
(извест |
||||||||
ном |
тепловом режиме) |
тепловая |
производительность |
||||||
камеры |
роста |
|
|
|
|
|
|
|
|
где а> 1 — коэффициент, учитывающий тепловые потери.
Поверхность нагрева кристаллогенератора опреде ляется по его тепловой нагрузке:
QKr |
CBi |
с (/кц — ^кг); |
= arW — Gi - і з |
||
|
" м. у |
|
|
F„ = — . |
( I X - 4 7 ) |
Второй член этого уравнения отражает эффект вы деления тепла при самоиспарении вследствие перехода сиропа из концентратора в кристаллогенератор с более низкой температурой кипения массы. Тепловой поток <7кг=&і;гЛ^ьт рассчитывается по формулам главы V для условий работы кристаллогенератора.
Рабочий объем камеры для образования кристаллов рассчитывают по расходу молодого утфеля
G - = G l " ^ T |
( , х - 4 8 ) |
и времени пребывания его в камере тЬ т- Как было пока зано в главе V I , это время зависит от длительности ла тентного периода т л й последующего времени форми рования устойчивых кристаллов Ат:
т к г = т л - Ь Д т . |
( I X - 4 9 ) |
Рабочий объем камеры должен регулироваться в процессе наладки аппарата для данного продукта и со ставлять не менее VK r , определяемого по формуле:
Q |
|
VKr = — — т к г . |
( I X - 5 0 ) |
Рм. у |
|
Возможныварианты изложенной методики, в част ности, с учетом влияния несахаров на расчетные пара метры.
РАСЧЕТ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ С О Х Л А Ж Д Е Н И Е М
Методика расчета кристаллизаторов с охлаждением опубликована в ряде работ И. С. Гулого и И. А. Белоконя (см. список литературы).
Для определения поверхности охлаждения в принци
пе применяются уравнения |
материального |
и теплового |
|
балансов (см. главу II) и |
уравнения теплообмена (см. |
||
главу V ) . В связи с изменением |
расчетных |
параметров |
|
во времени и вдоль поверхности |
нагрева (некоторые из |
||
этих параметров задаются экспериментальными кривы ми) расчет производят интервально-итерационным спо собом, разбивая длину кристаллизатора на участки.
Расчет практически сводится к использованию урав нений типа (IX—7), так как коэффициенты теплопере дачи и температурные перепады изменяются по лога рифмическим законам. Особенностями расчета являются учет выделяющейся теплоты кристаллизации и примене ние уравнений взаимосвязи количества отведенного теп ла и выпавшей твердой фазы типа (VI—72) и (VI—73).
выводы
Существующие методики приближенного норматив ного расчета утфельных вакуум-аппаратов периодиче ского действия [30, 97] предусматривают аппроксима цию цикла уваривания некоторым стационарным про цессом, для которого принимаются усредненные за цикл (или по периодам варки) практические, эксплуатацион ные расчетные величины. Для аппаратов периодического действия неточности расчета компенсируются запасами производительности аппарата или изменением принятого времени цикла. При этом кинетика основного процесса кристаллизации не учитывается.
Предлагаемые приближенные методы |
расчета ва |
куум-аппаратов (упрощенные и уточненные) |
принципи |
ально отличаются от нормативных прямым учетом кине тики и взаимосвязи процессов тепло- и массообмена, ко торый в зависимости от задач расчета и наличия исход ных данных производится с различной степенью прибли жения. Отличительными особенностями новых методов расчетов являются расчет режима питания аппарата раствором на основе динамического материального ба
ланса и кинетических |
кривых процесса, изображаемых |
на массовом графике |
варки, и их общность для аппара |
тов периодического и непрерывного действия.
Впервые излагаются методики расчета кристаллоге нератора, принципы распределения поверхности нагрева по секциям вакуум-аппарата непрерывного действия, а также способы использования диаграмм энтальпии и теплообмена для расчета и анализа рабочих процессов кристаллизации.
В главе изложены методики расчета в общих чертах,
детали их опубликованы в ряде работ [6, |
15, |
16, 22, |
30, |
||||||||||
34, |
40, |
57, |
58, |
62, |
94, |
123, |
135, |
142, |
144, |
149, |
152, |
153, |
|
158, |
161, |
163, |
173, |
201, |
208, |
212, |
217, |
218, |
240, |
242, |
248, |
||
251, 256, 265, |
268 и др.]. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ |
|
||
1. А к у л о в Н. |
С. Основы химической |
динамики, М., |
Изд-во |
|
МГУ, |
1940, 95 с. |
|
|
|
2. |
А м л и н с к и й |
Л. 3. Разработка |
и исследование |
метода |
автоматического регулирования процесса непрерывной варки сахар
ных утфелей. Дисс. на соискание ученой степени |
канд. техн. наук. |
||||||||||||
Киев, ВНИИСП и КТИПП, 1969. |
|
|
|
|
|
||||||||
3. |
А н о ш и н |
И. |
М. |
Теоретические основы |
|
массообменных |
|||||||
процессов |
пищевых |
производств. |
М., |
«Пищевая |
промышленность», |
||||||||
1970, |
344 |
с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
А р х и п о в и ч |
|
Н. |
А. |
Общая |
технология |
сахаристых |
ве |
|||||
ществ. Киев, «Вища школа», 1970, |
520 с. |
|
|
|
|||||||||
5. |
Б а ж а л |
И. |
Г. |
Исследование |
взаимосвязи |
теплообмена |
и |
||||||
кристаллизации |
в |
утфельных |
вакуум-аппаратах для |
уточнения |
их |
||||||||
расчета. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Киев, КТИПП. 1961.
6. |
Б а ж а л |
И. |
Г. Расчет вакуум-аппаратов |
на |
основе взаимо |
|||||||
связи |
теплообмена |
и кристаллизации.— «Труды |
|
КТИПП», |
1961, |
|||||||
вып. 24, с. 97—110 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
7. Б а ж а л |
И. |
Г. Влияние размера кристаллов и их объемной |
||||||||||
концентрации в |
утфеле на |
скорость кристаллизации.— В сб.: «Пи |
||||||||||
щевая |
промышленность», |
М., |
ЦИНТИпищепром, |
1962, |
№ |
6, |
||||||
с. 4—10 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. |
Б а ж а л |
И. |
Г. Связь между тепло- |
и массообменом |
кри |
|||||||
сталлизующихся |
дисперсных систем.— «Сахарная |
промышленность», |
||||||||||
1964, № 6, с. 12—14 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
9. |
Б а ж а л |
И. |
Г., К у р и л е н к о |
О. Д. Рекристаллизация в |
||||||||
кипящем растворе. Журнал прикладной |
химии, |
1967, |
т. 40, № |
11, |
||||||||
с. 2579—2582. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10. |
Б а ж а л |
И. |
Г., К у р и л е и к о |
О. |
Д. |
Связь |
между |
теп |
||||
ло- и массообменом |
и рекристаллизация |
при |
варке |
утфеля.— В сб.: |
||||||||
«Тепло-массообмеп», |
АН |
УССР. |
Киев. |
«Наукова |
думка», |
1968, |
||||||
с. 16—22. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11. |
Б а ж а л |
И. |
Г., |
К у р и л е и к о |
О. |
Д., |
П а л а ш |
Е. |
Н. |
|||
Условие рекристаллизации. Теоретические основы химической техно
логии. |
1969. т. I I I , № |
6, с. 931—933. |
|
|
||
12. |
Б а ж а л И. |
Г., П о п о в |
В. Д. Расходометрический спо |
|||
соб регулирования процесса |
уваривания сахарных утфелей.— В сб.: |
|||||
«Пищевая |
промышленность-'', |
М., |
ЦИНТИпищепром, 1960, |
иын. 4, |
||
с. і 9—23 с ил. |
|
|
|
|
||
13. |
Б е л о к о н ь |
И. А. Исследование кинетики кристаллизации |
||||
сахара |
в |
утфельных |
кристаллизаторах. Дисс. на соискание |
ученой |
||
степени |
канд. техн. наук. Киев, КТИПП, 1964. |
|
||||
14. |
Б е л о к о н ь |
И. А. Критериальное уравнение кристаллиза |
|||||||||||||||||||
ции.— «Известия вузов |
СССР. |
Пищевая |
технология». |
Краснодар, |
|||||||||||||||||
1964, № 2, с. 137—143 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
15. |
Б е л о к о н ь |
И. А. Расчет утфельных кристаллизаторов.— |
|||||||||||||||||||
«Известия вузов СССР. Пищевая технология». Краснодар, 1964, № 2, |
|||||||||||||||||||||
с. 133—137 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
16. |
Б е л о к о н ь |
И. |
А., |
Г у л ы й |
|
И. |
С. |
Расчет |
утфельных |
||||||||||||
кристаллизаторов.— «Известия вузов СССР. |
Пищевая |
технология». |
|||||||||||||||||||
Краснодар, |
1964, № 2, с 133—137 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
17. |
Б е л о к о н ь |
И. |
А., |
|
П о п о в |
В. |
Д . |
Оценка |
качества |
||||||||||||
кристаллизации |
утфелей.— «Сахарная |
промышленность», |
1962, № 10, |
||||||||||||||||||
с. 27—29 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
18. |
Б е л о с т о ц к и й |
Л . |
Г. |
Исследование |
влияния |
циркуля |
|||||||||||||||
ции и перемешивания утфеля в вакуум-аппаратах на |
процессе |
кри |
|||||||||||||||||||
сталлизации сахара. Автореферат кандидатской диссертации. Крас |
|||||||||||||||||||||
нодар, ВНИИСП и Краснод. полит, |
и-т, 1969. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
19. |
Б о я р и н о в |
А. И., |
К а ф а р о в |
В. |
В. |
Методы |
|
оптими |
|||||||||||||
зации |
в |
химической |
технологии. М., «Химия», |
1969, 568 с. |
|
|
|
||||||||||||||
20. |
Б э м ф о р т |
А. В. Промышленная кристаллизация (Пер. с |
|||||||||||||||||||
англ.). М., «Химия», |
1969, 240 с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
21. |
В а й с м а н |
М. Л., |
Г о р о х |
В. Н., |
П о п о в В. Д . |
Иссле |
|||||||||||||||
дование процесса непрерывной варки утфеля на экспериментальном |
|||||||||||||||||||||
стенде |
Ц И Н С — В сб.: «Вопросы непрерывной |
варки |
и |
кристаллиза |
|||||||||||||||||
ция утфелей», |
М., ЦИНТИпищепром, |
1962, с. 35—39 с ил. |
|
|
|
||||||||||||||||
22. В а й с м а н |
М. |
Л., |
Г о р о х |
|
В. |
Н., |
П о п о в |
В. |
|
Д . Ме |
|||||||||||
тод расчета многосекционного вакуум-аппарата непрерывного дейст |
|||||||||||||||||||||
вия — «Труды |
ВНИИСП», |
1966, выи. X I I I , |
с. 159—178 с ил. |
|
|
||||||||||||||||
23. |
В а й с м а н |
М. |
Л., |
Г о р о х |
|
В. |
Н., |
|
П о п о в |
В. |
Д. |
Спо |
|||||||||
соб непрерывного уваривания |
утфелей. Авт. свид. № |
207823 от 5/Х |
|||||||||||||||||||
1967 г.— «Бюллетень |
изобретений», |
1967, № 2. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
24. В а й с м а н |
М. Л., |
К о с т е н к о |
А. С.,, П о л и щ у к |
Ф. М. |
|||||||||||||||||
Результаты |
сравнительных |
|
испытаний |
и |
оценка |
вакуум-аппаратов |
|||||||||||||||
• различных |
|
конструкций.—«Труды |
|
ЦИНС», |
1958, |
вып, V, |
|||||||||||||||
с. 3—28 с ил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
25. |
В а й с м а н |
М. |
Л., |
П о п о в |
|
В. |
Д . |
Секционный |
|
вакуум- |
|||||||||||
аппарат |
непрерывного действия. Авт. свид. № |
125204 от 18/ІХ 1959. |
|||||||||||||||||||
. 26. В а й с м а н |
М. Л., |
П о п о в |
|
В. Д., |
Секционный |
|
вакуум- |
||||||||||||||
аппарат |
непрерывного действия. Авт. свид. № |
113298 от 4/IV 1958 г. - |
|||||||||||||||||||
27. В а й с м а н |
М. |
Л., |
П о п о в |
|
В. Д., |
Г о р о х |
В. |
|
Н. |
Сек |
|||||||||||
ционный вакуум-аппарат. |
Авт. свид, |
№ 128380 |
от |
10/1Т |
I960 |
г.— |
|||||||||||||||
«Бюллетень изобретений», |
1960, № 9 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
28. В е н и к о в |
В. А. |
Теория |
подобия |
и |
моделирование. |
М., |
|||||||||||||||
«Высшая школа», 1966, 488 с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
29. |
В о л о б у е и а |
А. К. Нахождение |
оптимальных |
условий не- |
|||||||||||||||||