Применение массы и энергии, чтобы остатки Spray Сушка
Массовые и энергетические балансы не только для процесса и конструкции оборудования. Они также могут быть использованы для улучшения сушки операций, отвечая на разные "что-если" вопросы о температурах Расходы, приведенные, и содержание влаги.
Распылительной сушки является сосуд, в который жидкого корма распыляется, как капель в горячем газе. Влаги (как правило, вода) испаряется в горячем газе, в результате чего сухих частиц, которые отделены от прохладный, влажный газа с помощью циклонов, фильтров и / или электрофильтров. Процесс дает твердого сухого продукта из жидкого раствора в один шаг, который уменьшает количество материала, которое должно быть обработан. Эта функция имеет значительный апелляции в производстве пищевых продуктов, таких как молочные порошки, например, обезжиренное молоко, цельное молоко, лактоза, сыворотка, казеин), а также потребительских товаров (например, моющие средства).
Тем не менее, Сушильные камеры, как правило, производят аморфный и неустойчивый твердых продуктов. Нестабильность на основе тенденции аморфные твердые тела самопроизвольно поглощать влагу из атмосферы, а затем кристаллизуется после распылительной сушки. Иногда это желательный атрибут, например, когда порошок будет использоваться в качестве сорбента.
Как правило, испаряющейся влаги энергоемким процессом. Preconcentrating жидкого корма, который входит в распылительной сушки является хорошим способом сократить общие потребности в энергии, так как концентрирования снижает испарения нагрузка на фен и, таким образом, количество воды, необходимой для испарения.
На рисунке 1 показана нержавеющей стали опытно-промышленные сушилки, который используется для научных исследований и разработок распылительной сушки продуктов питания. Рисунок 2 является схема энергетических потоков вокруг распылительной сушки.
Исполнительский массового и энергетического баланса позволяет инженерам использовать информацию на одной стороне баланса для определения неизвестных величин на другой стороне баланса. Список литературы 1 и 2 приводится обзор того, как применить массового и энергетического баланса в сушилки, применяя основные понятия на примерах, показывающих, как определить Расходы, приведенные, температуры, состава и т.д.
Из-за хорошо смешанный характер многих сушильные камеры (I), выход условия газа и твердых веществ (например, температуры, влажности и влажности) такие же, как и частицы внутри оборудования. Таким образом, свойства материала могут быть предсказаны на основе частиц выходе температуры и влажности рассчитывается путем массового и энергетического баланса. Эти предсказания свойств материалов являются чрезвычайно ценными для направления работы распылительных сушилках. В центре внимания здесь является показать, как основные балансы массы и энергии могут быть использованы для прогнозирования - и избегать - начала частиц накопления на сушилку стен.
Материал, который прилипает к стенкам нежелательным по нескольким причинам. Часто опасность пожара и взрыва (2). Это может привести к снижению термически, тем самым уменьшая стоимость продукта. Например, загрязнение обычно белый порошок, молоко, сожжены и деградировавших частиц создает продукт, который обычно не является приемлемой для выпечки кондитерских изделий и решений. Кроме того, Materia! , которая придерживается стены не вытекает из сушилки с нормальным потоком материала и, считается утраченным продукта.
Тенденция частиц прилипают к стенам фен, называется липкости. Один из способов избежать липкости сохранить продукт при температуре ниже липкой Температура точки.
Энергии, поступающей сушки
Энергия поступает в сушилку главным образом за счет горячего воздуха, а также через жидкость. Определение энтальпий воздуха, жидкой воды и твердых тел является основой для определения энергии, поступающей сушки через эти маршруты:
Расход энергии = Энтальпия? Массовый расход (1)
Энтальпия воздуха, как правило, определяется по формуле:
H ^ югу = C ^ ^ к югу годовых (T ^ ^ к югу - T югу ^ ^ ссылка) Y [
где: C ^ ^ Па югу является удельная теплоемкость сухого воздуха, что составляет около 1 кДж / кг-K, G является температура воздуха, 0С; T ^ ^ к югу ссылка является ссылкой температуры, как правило, 00С; У Абсолютная влажность воздуха, воды кг / кг сухого воздуха;
Энтальпия жидкой воды, как правило, определяется по формуле:
H1 = C ^ югу пт (Т ^ ^ к югу 1-T ^ ^ к югу реф) (3)
где: C ^ ^ пл югу является удельная теплоемкость жидкой воды, 4,2 кДж / кг-K, а T1 является температура воды, 0С. Энтальпии молока веществ в воде определяется аналогичные отношения.
Пример: сухое молоко, часть 1
Жидкость состоит из 50% воды и 50% твердых веществ молока, удельная теплоемкость 1 0,5 кДж / кг-K при 50 ° C, входит в промышленный фен спрей в размере 3,5 кг / с, 35 кг / с воздуха, который имеет температуру 205 ° C и влажности 0,01 кг воды / кг сухого воздуха. Рассчитать неизвестные переменные: выход твердых содержания влаги (X ^ о ^ к югу); температура на выходе твердых тел (T5J, температура газа на выходе (T ^ ^ Перейти к югу) и влажность газа на выходе (Y ^ о ^ к югу). Эти величины показаны на рисунке 3.
Для определения общего расхода энергии в сушилку, добавить компонент энергии все входе сушилки - в этом случае энергия, расход воздуха, расход энергии воды, энергии и расхода молока твердых тел в воде.
Уравнение 1 используется для расчета расхода энергии в воздухе. Сухой расход воздуха 34,7 кг / с, который определяется путем деления общего расхода воздуха 35 кг / с по 1,01 кг общего количества воздуха / кг сухого воздуха (на основе влажность 0,01 кг воды / кг сухого воздуха). Из уравнения. 2, энтальпия воздуха 234 кДж / кг. Умножая дает энергию fiowrate воздуха, как 8098 кВт.
Из уравнения. 3, энтальпия воды составляет 210 кДж / кг. Общая fiowrate входящего жидкость 3,5 кг / с, половина из которых является вода, уступая воды fiowrate 1 0,75 кг / с Из уравнения. 1, энергия fiowrate воды 368 кВт. Кроме того, энергия fiowrate молока твердых тел 131 кВт.
Таким образом, общая энергия fiowrate ввода спрей сушилка 8597 кВт.
Применение концепции энергетического баланса позволит энергии оставив сушилку, чтобы быть равным энергии, поступающей сушки в стационарном состоянии.
Энергии оставляя сушки
Расчет неизвестных для энергии оставив сушилку требует предположений о характере взаимоотношений между переменных. Поскольку энергия выходит из сушилки в основном через охладитель, влажного воздуха, а также за счет твердых веществ (которые содержат определенного количества влаги), энтальпии, связанных с этими потоками первых определены таким образом, значения неизвестных может быть определена.
Выход твердого тела находятся в равновесии с газа на выходе, поэтому температура газа и твердых тел можно считать одинаковыми. Кроме того, содержание влаги выход из твердых тел можно считать равным равновесной влажности твердых веществ в связи с выходом газа.
Все влаги испаряется из твердых веществ поглощается газом, так что баланс массы позволяет содержанию выходе влажности твердых веществ имеют отношение к розетке влажности газа.
Пример: сухое молоко, часть 2
Вход твердых влажности известно (Xi = 1 воды, кг / кг твердых веществ), как входной влажности газа (Y1 = 0,01 кг воды / кг сухого газа). Сухого вещества входе fiowrate (F) является молоко твердых fiowrate 1 0,75 кг / с, в то время как сухой fiowrate газа (G) уже рассчитывается как 34,7 кг / с Таким образом, баланс массы вокруг сушилки:
G (Y ^ югу 0 ^ - Y югу ^ я ^) = F (X ^ ^ 0 суб-суб X ^ ^ я) (4а)
Y ^ югу 0 = Y ^ ^ 1 подпункта (FZG) (X ^ югу 0 ^-X ^ ^ я к югу (4В)
Полная энергия fiowrate ввода фен, рассчитанные ранее, 8597 кВт.
Энергии оставив сушилку содержится в воздухе (H ^ ^ Перейти к югу) и в твердых телах (H ^ ^ к югу S0) и определяется по формуле:
H ^ югу Сразу к югу = C ^ Ра ^ (T ^ Сразу к югу ^-T ^ югу реф ^) Y ^ о ^ к югу [ (5)
H ^ ^ Так югу - к югу C ^ Па ^ (T ^ Сразу к югу ^ - T ^ реф югу ^) X ^ к югу 0 ^ C ^ югу Pi ^ (S ^ югу O ^ - T ^ ^ к югу реф) (6)
Сухого газа (34,7 кг / с) и сухих веществ (1,75 кг / с) Расходы, приведенные такие же, на входе и выходе, так:
8597 = 175 [^ 1.5T к югу Так ^ X ^ о ^ к югу (4.2T к югу ^ ^ Так)] 34,7 [T ^ ^ Перейти к югу Y ^ о ^ к югу (2500 1.8T ^ ^ Перейти к югу)] (7)
Газа и твердых тел находятся в равновесии, так что их температура на выходе же (T80 = ТГО). Кроме того, влажность газа и газа и твердых частиц температуры повлияет на твердых влажности.
Относительная влажность воздуха (?) На выходе газа (фактическое давление паров, р, деленный на давление насыщенного пара) должен быть вычислен первым, используя температуры газа (T ^ ^ Перейти к югу) и влажности газа (Y ^ к югу 0 ^):
Итерационный процесс расчета относительной влажности
Давление насыщенного пара (р ^ ^ к югу VSAT) является максимальное давление пара при температуре газа на выходе (T ^ ^ Перейти к югу), и это давление пара может быть рассчитан с помощью уравнения Антуана. Для воды, одна версия уравнения Антуана это:
P ^ югу VSAT = 133.3exp [18,3036-(3816,44) / (T ^ ^ к югу Так 229,02)] (9)
Фактическое давление пара (р югу V ^) может быть связано с влажностью газа на выходе (Y ^ югу O ^) по:
K = 0,622 [Pi / к югу P ^ ат ^-P ^ югу V ^)] (10)
Уравнения 8-10 дают относительную влажность воздуха (?) От температуры газа (T ^ ^ Перейти к югу) и влажности газа (Y ^ югу 0 ^). Эта относительная влажность воздуха, а также газа и твердых частиц температуры (T ^ югу G0 = T ^ ^ к югу G0), используется для оценки равновесной влажности (X ^ ^ к югу EMC), которая является оценкой содержания влаги розетки (X ^ о ^ к югу).
Для обезжиренное сухое молоко, равновесной влажности определяется:
X ^ югу O ^-X ^ югу EMC = 0.1499exp [-2,306 х 10-3 (T ^ ^ к югу Так 273,15) в (1 /
6 переменных X ^ ^ к югу 0, Y ^ ^ к югу 0, T, P ^ ^ V югу и р к югу WER ^ и 4 и 7-1 1 следующей итерационной процедуры:
1. Угадайте, Х0.
2. Использование уравнения. 4 рассчитать Y ^ ^ 0 к югу.
3. Использование уравнения. 7 рассчитать Т.
4. Использование уравнения. 10 для расчета P ^ V ^ к югу.
5. Использование уравнения. 9 для расчета P ^ ^ к югу VSAT.
6. Использование уравнения. 8 вычислить
7. Использование уравнения. 11 рассчитать новое значение X югу 0 ^ ^. Затем вернитесь к шагу 1 до сходятся результаты.
Пример: МХК порошок, часть 3
Первый раунд расчетов с первоначальной догадке X ^ югу 0 = 0, кг / кг в шаге 1, получим: Y ^ югу 0 = 0,0605 кг / кг, T = 8I.7 ° C р к югу V ^ = 8982 Па, р югу VSAT = 55005 Па, 1 633, а новое значение X югу ^ 0 = 0,0340 кг / кг. Итераций, быстро сходятся на содержание выход влаги 0,0300 кг / кг, а выход газа и твердых частиц температура 84,7 ° C.
Оценка липкости
Как уже отмечалось выше липкой Температура точки, частицы могут присоединиться к стенкам сушилки.
Stickiest компонентом молока является лактоза. Липкие точки кривой лактозы может быть представлена (3):
T ^ суб-м ^ [(I-X ^ югу O ^) T ^ югу glact ^ X ^ югу O ^ T ^ югу gwater ^] / (1 ^ к югу 7.48X O ^) 23,3 (12)
где: T ^ ^ к югу Si является липким точки температуры, ° C; T ^ ^ к югу flaci температура стеклования лактозы, 101 ° C и T ^ ^ к югу gwater температура стеклования воды, - 137 ° C.
На выходе содержание влаги 0,0410 кг / кг, липкие Температура точки рассчитывается по формуле. 12, 1000С. Поскольку это выше текущей температуре на выходе, обезжиренное молоко не в липкие точки региона, и поэтому вряд ли могут вызвать проблемы стене осаждения.
Баланс анализ
Эти массы и уравнения баланса энергии можно использовать многократно, чтобы ответить, что, если вопросы и оценки условий, необходимых, чтобы избежать частиц липкость и свести к минимуму осаждения частиц на сушилку стены:
1. Что такое максимальное количество газа входе температура, при которой нет липкой поведения и мало осаждения стене? (В примере, максимальная температура газа на входе 242,5 ° C.)
2. Каков минимальный расход газа на входе? (Существует такая минимальная расход на примере, как происходит конденсация первый.)
3. Какова максимальная влажность газа на входе? (0,0873 кг / кг)
4. Каков минимальный входной концентрации твердых тел? (0,341 кг твердых частиц в 0,659 кг воды)
5. Какова максимальная температура твердых входе? (Расчеты дают температуре 820C 1, который не является реалистичным.)
6. Каков максимальный расход твердого тела входе? (Существует нет такой расход максимум, как происходит конденсация первый.)
Визуализация процесса сушки
Температуры и влажности энтальпии путей для этих процессов сушки можно, в общем, следовать по Молье и Гросвенор-карт, например, 4 и 5 (4).
Для адиабатических, фен, кондиционер правило, переход от очень ненасыщенных почти насыщенных после Изоэнтальпийный линии. Для воздушно-водяной пар системы, эта линия находится очень близко к линии постоянной температуры смоченного. Таким образом, масса и расчеты энергетического баланса могут быть отправлены на картах (5), которые могут быть использованы для прогнозирования поведения материалов, таких как продукт критерий липкости.
Один из распространенных наблюдений, что содержание влаги порошка уменьшается с ростом температуры входа и выхода воздуха, когда все другие эксплуатационные параметры остаются неизменными (6-9). Массы и подход энергетический баланс показывает, что повышение температуры воздуха по всей сушки снижает относительно влажности воздуха, что в квантовой снижает равновесной влажности частиц, так что движущей силой для сушки увеличивается, в результате чего сухих частиц.
Та же логика объясняет наблюдения, что продукт влажность возрастает с увеличением скорости питательного насоса. Увеличение скорости подачи жидкости приводит к более (всего) испарения, повышение температуры, относительной влажности газа и равновесной влажности частиц, снижение движущей силой для сушки, и в конечном итоге производство влажных (повышенное содержание влаги продукта) частиц (8) .
Влияние температуры приточного воздуха больше, чем влияние расхода жидкости питательного насоса на содержание выход влаги и относительная влажность газа на выходе (7).
Рассмотрим в качестве примера распылительной сушки с: жидкий корм, содержащий 20% твердых веществ (Х = 4 кг / кг), расход жидкого питания 4 мл / мин (6,67? IO "5 кг / с), а при температуре жидкого корма из 4O0C; входе расхода воздуха 0,01 кг / сек и температура воздуха на входе в 14O0C; изотермы сорбции определяется формулой. 1 +1, и предполагается, потери тепла в 0,5 кВт. выходе относительной влажности воздуха рассчитывается как 3,64% и содержание влаги выходе 0,0103 кг / кг.
Так как большое количество жидкости должно быть испарилась, будет мало меняться в относительной влажности, если изотермы сорбции другое. Например, разделив изотермы на коэффициент 5 только изменить выход относительной влажности не более 3,65%, даже если содержание влаги выход затем будет 0,0021 кг / кг.
Закрытие мысли
Массы и подход энергетического баланса представлены здесь может быть обобщен и применен к другим видам сушилки, такие как поворотные сушилки (5). Однако, важно признать, что числа, используемые здесь, являются подходящими для очень специфический набор условий - то есть, они представляют большой номенклатуры
C ^ югу р = удельная теплоемкость, кДж / (кг-К)
F = расход твердого тела, кг / с
G = расхода газа, кг / с
H = энтальпия, кДж / кг
T = температура, ° C
X = содержанием твердых частиц влаги, кг воды / кг сухого вещества
Y = абсолютной влажности газа, кг воды / кг сухого газа
Индексы
= воздуха
EMC = равновесной влажности
G = газа
glact = стеклования (температура) лактозы
gwater = стеклования (температура) воды
я = входе
L = жидкой воды
розетки о =
= реф ссылки (для температуры)
S = твердых
St = липкие точки (температуры)
? = Давление паров
VSAT = давление насыщенного пара
Греческого письма
спрей-сушильные установки, которые производят сухое молоко в Австралии и Новой Зеландии.
Стоимость этих остатков в ответе на то, что, если вопросы о фен операции. В литературе имеются некоторые примеры, в которых предсказывается тенденции модели находятся в хорошем согласии с данными наблюдений, например, в сравнении относительного воздействия температуры приточного воздуха и скорость подачи жидкости на содержание выход влаги и относительной влажности воздуха на выходе газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лангриш, TAG ", Multi-Scale Математическое моделирование распыления сушки," Журнал пищевых технологий ", 93 (2), с. 218-228 (2009).
2. Мастера, K,, "Депозит свободной Spray Сушка: мечта или реальность?", Труды 10-й Международный симпозиум сушки (IDS 96), Сушильные 96, Краков, Польша (1996).
3. Ozmen, L, и TAG Лангриш, "Сравнение температуры стеклования и температуры Важная точка для обезжиренного молока", технологии сушки, 20 (6), стр. 1. 177-1192 (2002).
4. Keey, RB, "Введение в промышленной сушки операций", М.: Наука, Великобритании, с. 15-99 (1978).
5. Genskow, LR и др., "Psychrometry, испарительного охлаждения и твердых сушки", глава 12 в зеленом, DW, и RH-Перри, ред., "Perry Справочнике инженеров-химиков," восьмое издание, McGraw-Hill, Нью-Йорк, Нью-Йорк (2008).
6. Грабовский, JA, и др., "распыления амилазы гидролизованный пюре из сладкого картофеля и Physicochemicai свойства порошка," Журнале пищевых наук, 71 (5), с. E209-E2 1 +7 (2006).
7. Гонконг, JH и YH Чой, "Physicochemicai свойства белка полисахарида Agaricus blazei Murili Подготовлено ультрафильтрации и распылительной сушки процесса," Международный журнал продовольственной науке и технике, 42 (1), с. 1-8 (2007) .
8. Quek, С. и др.. ", Physicochemicai свойства порошковых SprayDried Арбузы," Инженерная химической и перерабатывающей, 46 (5), с. 386-392 (2007).
9. Rattes, А. Л. R-, и WP Оливейра, "Spray условия сушки и герметизации Состав воздействие на формирование и свойства диклофенака натрия микрочастиц", порошковые технологии, 171 (I). с. 7-14 (2007).
Дополнительная литература
Бхандари, Б. R-, и Т. Хоус "Причастность стеклования для сушки и устойчивость сушеные продукты питания," Журнал пищевых технологий ", 40 (1-2), с. 71-79 (1999).
Strumillo, C-и Т. Кудра, "Сушка: принципы, приложений и Дизайн", Гордон и Брич, New York, NY, с. 45-54 (1986).
TIM томиться
Университет Сидней
TIM LANGRlSH является главой школы химических и биомолекулярных инженерии в Univ. Сидней (Тел.: +61 2 9351 4568, E-почта: <a href="mailto:timl@chem.eng.usyd.edu.au"> timl@chem.eng.usyd.edu.au </>) , где он также занимал должность доцента. Его исследования включают специальностей технологии сушки и вычислительной газовой динамики. Он получил BE в химических и технологических процессов в Univ. Кентербери, Новая Зеландия, а также докторскую степень в инженерных наук в колледже Балиол, Univ. Оксфорд, Великобритания Он парень как институт инженеров, Австралии, а также Института инженеров-химиков, Великобритания
