3.3.2. Атмосферная сублимационная сушка фонтанирующего слоя

Настоящий расчет проводился для атмосферной сублимационной сушки, проведенной в модифицированной установке MiniGlatt. Условия проведения процесса, параметры высушиваемого материала и воздуха соответствуют приведенным в разделе 3.2.

Уточним, что необходимый температурный режим (-20ºС) в аппарате фонтанирующего слоя создается путем пропускания воздуха через контейнер с сухим льдом. В расчете также учитываются затраты на предварительное замораживание исходного материала, которое осуществляется в отдельном цилиндрическом аппарате распылением высушиваемого раствора в противотоке воздуха, охлажденного сухим льдом до температуры -80ºС

Диаметр данного аппарата составляет: D_зам=0.067 м

Время требуемое на предварительное замораживание: t_зам=120 с

Удельные затраты на атмосферную сублимационную сушку складываются из:

Z=Z_зам+Z_прод1+Z_субл+Z_прод2+Z_десубл (3.19)

где Z_зам - удельные затраты на замораживание сухим льдом, руб/кг сухого продукта;

Z_прод1 - удельные затраты на продувку воздуха при предварительном замораживании, руб/кг сухого продукта ;

Z_субл - удельные затраты на сублимацию, руб/кг сухого продукта;

Z_прод2- удельные затраты на продувку воздуха при сублимации, руб/кг сухого продукта;

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

Удельные энергозатраты на 1 кг сухого продукта:

Q_у=Q_узам+Q_упрод1+Q_усубл+Q_упрод2+Q_{удесубл}

И удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_у=Q_узам2+Q_упрод12+Q_усубл2+Q_упрод22+Q_{удесубл2}

Время процесса атмосферной сублимационной сушки в фонтанирующем слое значительно меньше, чем для вакуумной: t=9600 с.

Замораживание высушиваемого материала сухим льдом

Массу сухого льда, требуемую для замораживания, находим из теплового баланса:

, (3.20)

где Q_зам – количество теплоты необходимое для замораживания 50 г материала, кДж; t_л1 и t_л2– начальная и конечная температуры сухого льда, К.

Q_зам=r_зам·m, Q_зам=112.9 кДж

Тогда масса сухого льда: m_л=2.352 кг

При стоимости сухого льда 10 руб/кг затраты на замораживание 50 г материала составят 23.521 руб.

Соответственно удельные затраты на замораживание:

Z_зам=470.471 руб/кг выс продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта:

Q_узам=2.258·10³ кДж/ кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_узам2=403.214 кДж/ кг удал. влаги

Продувка воздуха при предварительном замораживании

Массу воздуха найдем из теплового баланса в соответствии с формулой (3.20): m_возд1=1.397 кг

Соответственно, скорость прохождения воздуха через камеру при предварительном замораживании равна: v_зам=2.554 м/с. Тогда объемный расход воздуха при замораживании: G_возд1=9.005·10^-3 м³/с

Чтобы определить энергозатраты на продувку воздуха, найдем мощность вентилятора для подачи воздуха по формуле [51]:

, (3.21)

где Δp – давление, создаваемое вентилятором, Па; η – к.п.д. вентилятора.

Давление, создаваемое вентилятором при подаче воздуха, найдем по формуле [51]:

, Δp=4.218 Па (3.22)

Приняв к. п. д. вентилятора η=50%, найдем мощность вентилятора по формуле (3.22): P_вент1=7.597·10^-7 кВт,тогда затраты на продувку при замораживании составят: C_прод1=3.874·10^-8 руб

Соответственно удельные затраты: Z_прод1=7.794·10^-7 руб/кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта:

Q_упрод1=0.963 кДж/ кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_упрод12=0.172 кДж/ кг удал. влаги.

Сублимация

Изменение энтальпии при сублимации:

r_субл=r_пл+r_исп,,r_субл=2.591·10³ кДж/кг

Количество теплоты, требуемое для сублимации, найдем как произведение изменения энтальпии на массу удаленной влаги:

Q_субл=109.921 кДж

Требуемую массу сухого льда определим из теплового баланса процесса в соответствии с формулой (3.12): m_л2=2.29 кг

Тогда стоимость процесса сублимации составит: C_субл=22.9 руб

Следовательно удельные затраты на сублимацию:

Z_субл=3.023·10³ руб/кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта:

Q_усубл=1.451·10⁴ кДж/ кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_усубл2=2.591·10³ кДж/ кг удал. влаги.

Продувка воздуха при сублимации

Данный расчет аналогичен расчету для продувки воздуха при предварительном замораживании, который приведен выше.

Удельные затраты на продувку воздуха при сублимации:

Z_прод2=3.391·10^-5 руб/кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг высушенного продукта:

Q_упрод2=0.08 кДж/ кг выс. продукта

Удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q_усубл2=0.014 кДж/ кг удал. влаги.

Десублимация

Примем затраты при атмосферной сублимационной сушке по данной статье расхода равными затратам при вакуумной сублимационной сушке.

Таким образом, в соответствии с (3.19) суммарные удельные затраты на атмосферную сублимационную сушку: Z=3.499·10³ руб/кг выс. продукта

Суммарные удельные энергозатраты на 1 кг сухого продукта:

Q=2.988·10⁴ кДж/ кг выс. продукта

Суммарные удельные энергозатраты на 1 кг удаленной влаги:

Q=5.336·10³ кДж/ кг удал. влаги

В таблице 3.1. представлены удельные энергозатраты на 1кг высушенного продукта на проведение процессов вакуумной и атмосферной сублимационных сушек

Таблица 3.1.

Удельные затраты на 1 кг высушенного вещества на проведение процессов вакуумной и атмосферной сублимационных сушек

Статьи расхода	Вакуумная сублимационная сушка (уд. энергозатраты, кДж/кг выс. продукта)	Атмосферная сублимационная сушка (уд. энергозатраты, кДж/кг выс. продукта)
Замораживание с помощью хладоагента	14900	-
Создание вакуума	1188	-
Нагрев лучеиспусканием	11570	-
Десублимация	13110	13110
Замораживание сухим льдом	-	2258
Продувка воздуха при замораживании	-	0.963
Охлаждение воздуха сухим льдом при сублимации	-	14510
Продувка воздуха при сублимации	-	0.08
Итого	40770	29880

В таблице 3.2. представлены удельные энергозатраты на 1кг удаленной влаги на проведение процессов вакуумной и атмосферной сублимационных сушек

Таблица 3.2.

Удельные затраты на 1 кг удаленной влаги на проведение процессов вакуумной и атмосферной сублимационных сушек

Статьи расхода	Вакуумная сублимационная сушка (уд. энергозатраты, кДж/кг удал. влаги)	Атмосферная сублимационная сушка (уд. энергозатраты, кДж/кг удал. влаги)
Замораживание с помощью хладоагента	2661	-
Создание вакуума	212
Нагрев лучеиспусканием	2066	-
Десублимация	2342	2342
Замораживание сухим льдом	-	403
Продувка воздуха при замораживании	-	0.172
Охлаждение воздуха сухим льдом при сублимации	-	2591
Продувка воздуха при сублимации	-	0.014
Итого	7281	5336

Авторами [58] были приведены данные по удельным энергозатратам на 1 кг удаленной влаги в процессах вакуумной сублимационной сушки и атмосферной сублимационной сушки:

Вакуумная сублимационная сушка:

Охлаждение: Q_охл = 3550 кДж/ кг удал. влаги

Нагревание: Q_нагр = 3780 кДж/ кг удал. влаги

Итого: Q_сумм = 7330 кДж/ кг удал. влаги

Атмосферная сублимационная сушка:

Охлаждение: Q_охл = 2550 кДж/ кг удал. влаги

Нагревание: Q_нагр = 3440 кДж/ кг удал. влаги

Итого: Q_сумм = 5990 кДж/ кг удал. влаги

По результатам проведенного расчета можно говорить о том, что процесс проведения сублимационной сушки под вакуумом в полочной сушилке более энергоемкий (7069 кДж/ кг удал. влаги), чем атмосферная сублимационная сушка в фонтанирующем слое (5336 кДж/ кг удал. влаги). При переходе к промышленным масштабам разница в энергопотреблении приобретает большое значение. Это делает атмосферную сублимационную сушку в фонтанирующем слое экономически целесообразной.

65