3.3.1. Вакуумная сублимационная сушка

Следует отметить, что мы будем рассматривать процесс вакуумной сублимационной сушки в неподвижном слое в полочной сушилке, предложенной экспертной системой Aspen DrySel. Нагрев материала в течение процесса осуществляется металлической пластиной, лучеиспусканием.

Удельные затраты на вакуумную сублимационную сушку складываются из:

Z=Z_зам+Z_вак+ Z_нагр+Z_десубл (3.15)

где Z_зам - удельные затраты на замораживание высушиваемого материала, руб/кг сухого продукта;

Z_вак – удельные затраты на создание вакуума в течение процесса, руб/кг сухого продукта;

Z_нагр - удельные затраты на нагревание лучеиспусканием при сублимации, руб/кг сухого продукта;

Z_десубл - удельные затраты на десублимацию, руб/кг сухого продукта;

Также мы будем рассматривать удельные энергозатраты на 1кг сухого продукта:

Q_у=Q_узам+Q_вак+Q_унагр+Q_{удесубл}

И удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_у2=Q_узам2+Q_вак2+Q_унагр2+Q_{удесубл2}

Время процесса вакуумной сублимационной сушки составляет t=72000 с, другие условия проведения процесса, параметры высушиваемого материала и воздуха полностью совпадают с соответствующими для вышеприведенного инженерного расчета.

Производительность по влажному материалу:

G_н=6.944·10^-7 кг/с=2.5·10^-3 кг/ч

Производительность по высушенному продукту вычислим по формуле (3.1) и получим: G_k=1.052·10^-7 кг/с=3.788·10^-4 кг/ч

Очевидно, что производительность по удаленной влаге:

W=2.121·10^-3 кг/ч=5.892·10^-7 кг/с

Тогда, масса удаленной влаги: m_{удал.влаги}=0.042 кг

Масса высушенного продукта: m_{выс.прод}=7.567·10^-3 кг

Стоимость электроэнергии: S_э=1.53 руб/кВт·ч или S_т=4.25·10^-4 руб/кДж

Далее рассмотрим каждую из статей энергопотребления в отдельности.

Замораживание высушиваемого материала

Удельная теплоемкость сухого льда: c_л=6 кДж/кг·К

Изменение энтальпии при замораживании воды берем из [57] на стр.59: r_зам=2258 кДж/кг

Количество теплоты, необходимое для замораживания найдем как произведение производительности по влажному материалу на изменение энтальпии при замораживании: Q_зам=1.568·10^-3 кВт

Найдем удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта: Q_узам=1.49·10⁴ кДж/кг выс. продукта

Вычислим удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_узам2=2.661·10³ кДж/кг удал. влаги

Удельные затраты на замораживание:

Z_зам=S_т·Q_зам,(3.16)

Z_зам=6.664·10^-7 руб/кг выс. продукта

Создание вакуума в сублимационной камере

Средствами проектирования программы Aspen DryScope было определено, что данный процесс проводится при давлении в сублимационной камере P= 2 мбар. Исходя из этого, был подобран вакуумный насос [55] с следующими характеристиками:

Модель: MP 0.54z

Производительность: 0.48 м³/час

Вакуум: <5 мбар

Мощность электродвигателя: P_{вак.нас} = 0.045 кВт

Удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта:

, Q_увак=1187.96 кДж/кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

, Q_увак2=212.16 кДж/кг удал. влаги

Удельные затраты:

Z_вак=Q_вак·S_т,Z_вак=0.5 руб/кг выс. продукта

Нагревание лучеиспусканием при сублимации

Стоимость удельных затрат на нагревание [56]:

, (3.17)

где ε – коэффициент черноты нагревателя, c_луч – коэффициент лучеиспускания, Вт/м²·К⁴; F_нагр - поверхность нагревателя, м²; Т_н – температура нагревателя, К; T_пр – температура продукта, К.

Подставив соответствующие значения, получим:

Z_нагр=4.917 руб/кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта:

, Q_унагр=1.157·10⁴ кДж/кг выс. продукта

Тогда удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_унагр2=2.066·10³ кДж/кг удал. влаги

Десублимация

Процесс десублимации проводится в десублиматоре.

Удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги на десублимацию [56]:

, (3.18)

где r_исп и r_пл – изменение энтальпии воды при испарении и плавлении, кДж/кг; Т_п и T_л – температура пара и намороженного льда, К.

Подставим соответствующие величины, тогда:

Q_{удесубл2}=2.342·10³ кДж/кг удал. влаги

Удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта:

Q_{удесубл}=1.311·10⁴ кДж/кг выс. продукта

Стоимость удельных затрат на десублимацию в соответствии с формулой (3.16): Z_десубл=5.574 руб/ кг выс. продукта

В соответствии с (3.15) суммарные удельные затраты на вакуумную сублимационную сушку:

Z=10.991 руб/кг выс. продукта

Суммарные удельные энергозатраты на 1 кг сухого продукта:

Q_у=4.077·10⁴ кДж/кг выс. продукта

Суммарные удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_у2=7.281·10³ кДж/кг удал. влаги