Сушка в основном применяется, если необходимо испарить растворитель и получить из высушиваемого материала порошкообразный или гранулированный сухой продукт. Сушка представляет собой весьма энергоемкий, сложный, взаимообусловленный комплекс химических, тепловых и диффузионных процессов. В настоящее время из известных сушилок, разработанных для микробиологии, нашли применение распылительные сушилки с дисковым и форсуночным распылением, вальцовые сушилки (в гидролизной промышленности) и сублимационные сушилки (в производстве бактериальных препаратов, ферментов). Методы сушки и конструкции сушилок в значительной степени определяются режимами сушки для конкретного материала, обеспечивающими высокое качество сухого продукта при наименьших капиталовложениях и энергозатратах. Это особенно характерно для продуктов микробного синтеза, оптимальные режимы и методы сушки которых могут быть определены после изучения не только физико-химических и теплофизических характеристик, но и биологических свойств. Специфика сушки связана со сравнительно низкой термоустойчивостью и требованиями максимально возможной сохраняемости целевых продуктов биосинтеза в конечных препаратах.
В микробиологической промышленности в основном используются распылительные сушилки с дисковым распылением. В качестве топлива в зависимости от технологических требований используется природный газ или мазут.
1. Расчет процесса горения
Целью этого этапа расчета является расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, энтальпии продуктов сгорания.
Низшая теплотворная способность топлива - количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы топлива, но в предположении, что влага остается в продуктах горения в парообразном состоянии. В трубчатых печах дымовые газы выводятся через дымовую трубу при таких температурах, при которых водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания, не могут сконденсироваться, следовательно, тепло конденсации водяного пара не используется. Поэтому для практических расчетов процесса горения пользуются низшей теплотворной способностью топлива.
Низшая теплотворная способность топлива по формуле Д.И.Менделеева [4]:
,
,
где C, H, S, O, W - соответственно содержание углерода, водорода, серы, кислорода, влаги, по массе.
Элементарный состава газового топлива:
I) содержание углерода
;
2) содержание водорода
;
где nCi, nHi- соответственно число атомов углерода, водорода, серы, кислорода, азота в молекулах газовых компонентов топлива;
xi - концентрация газовых компонентов в топливе, % по массе;
Mi- молекулярная масса компонентов топлива;
k - число компонентов в топливе;
C, H, S, O, N - соответственно содержание углерода, водорода, % по массе.
Молекулярная масса газовой смеси:
=0,95*16+0,03*30+0,02*44=16,98 г/моль,
где ?i -объемная доля газовых компонентов в топливе;
После определения энтальпии продуктов сгорания при различных температурах строим график зависимости температура - энтальпия (Рисунок 1).
Рисунок 1 - График зависимости энтальпии продуктов сгорания от температуры
2. Материальный баланс сушки
Содержание сухих веществ в высушиваемом растворе не изменяется, если нет уноса или других потерь
, кг/ч,
гдеG1, G2, GC - количество раствора до и после сушки и абсолютно сухого вещества, кг/ч;
?1, ?2 - влажность раствора до и после сушки, %.
Производительность сушилок по испаряемой влаге:
.
Количество получаемых сухих дрожжей после сушки:
.
Технические характеристики распылительной сушилки
Тип сушилки
СРЦ-12,5/1100 НК
Производительность по испаряемой влаге, кг/ч
10000
Температура теплоносителя, оС
Поступающего
300
отходящего
90
Мощность двигателя распыливающего механизма, кВт
100
Габариты сушилки
диаметр
14500
высота
21640
Масса сушилки
60360
Количество распылительных сушилок, необходимое для испарения влаги:
шт,
принимаю n=3штуки,
где WC - производительность одной сушилки по испаряемой влаге, кг/ч.
3. Тепловой баланс сушки
При сушке в распылительных установках тепло передается от нагретого газа или воздуха и расходуется на нагрев высушенного материала, испарение влаги, потери в окружающую среду.
Подвод тепла:
тепло, вносимое дрожжевой суспензией:
,
где Gc - массовый расход дрожжевой суспензии, кг/ч;
ic - энтальпия дрожжевой суспензии при температуре поступления ее в сушильную камеру; кДж/кг;
Сс - теплоемкость дрожжевой суспензии;
? - температура поступления дрожжевой суспензии в сушилку, обычно составляет 40…60 ?С.
где Gc.a - количество теплоносителя (сушильного агента), кг/ч;
Jн- энтальпия сушильного агента при начальной температуре tн теплоносителя, кДж/кг. Определяется по графику зависимости температура-энтальпия продуктов сгорания.
при t=349оС Jн=7530
Расход тепла:
1) тепло, уносимое сухими дрожжами:
Qд.= Gz Jд=G2Cд ? z,
где G2 - количество дрожжей после сушки, кг/ч;
Jд - энтальпия сухих дрожжей при температуре выхода дрожжей из сушилки, кДж/кг;
где Gc.a - количество теплоносителя (сушильного агента), кг/ч
Jк - энтальпия сушильного агента при температуре выхода сушильного агента из сушилки, кДж/кг.
при t=87оС Jк =1780,
3) тепло, уносимое испаряемой влагой:
Qw=W Jw ,
где W - количество испаряемой влаги, кг/ч;
Jw - энтальпия водяного пара при температуре выхода водяного пара из сушилки, кДж/кг.
Jw =2700 при t=87оС , W=28331,85,
Qw=2700*28331,85=76509017,71.
4) потери тепла в окружающую среду.
Для определения габаритов сушилки приближенно можно принимать удельные потери тепла в окружающую среду в зависимости от начальной влажности материала q =(125?250) кДж/кг [6]:
Qп=q W,
q= 125 ,
Qп=125*28331,85=3542084,15 .
Потери тепла в окружающую среду обычно составляют 3?8? от общего количества тепла.
Количество теплоносителя (сушильного агента) определяется после преобразования теплового баланса процесса сушки по следующей формуле:
Проверяется тепловой баланс процесса сушки. Согласно закону сохранения энергии:
Qприх.=Qрасх. ,
где Qприх.,Qрасх. - соответственно статьи прихода и расхода тепла.
При расчете среднего диаметра капель можно принять С=2, для максимального размера капель С=4,6.
Размеры капель зависят от окружной скорости диска, производительности по суспензии, физических свойств суспензии. Основные характеристики центробежных распылителей приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Основные характеристики центробежных распылителей
Технические данные
Тип распылителя ЦРМ 18/100-8000
Производительность, т/ч
18
Давление, МПа:
в трубках подачи воздуха
0,01-0,08
в трубках подачи воды
0,2
Мощность электродвигателя, кВт
100
Скорость вращения диска, об/мин
8050
Угловая скорость диска, м/с
131-139
Смазка
Масло индустриальное И-12
Разовая заливка масла, л
30
Габаритные размеры, мм:
длина
960
ширина
700
высота
2805
Радиус факела распыления вычисляется по формуле:
,
где ?, ?2 - плотность суспензии и сушильного агента;
Re - критерий Рейнольдса:
Re=
где ?- угловая скорость распыливающего диска, м/с;
d - диаметр капли, м;
?- кинематическая вязкость газа, м2/с;
,
Динамическая вязкость продуктов сгорания при
=0,017мПа*с
=0,03 мПа*с
=0,025 мПа*с
=0,026 мПа*с
,
,
Re=.
Gu - критерий Гухмана:
,
где t1 - температура агента перед сушкой, 0С;
t2 - температура сушильного агента после сушки, °С;
tм - температура мокрого термометра, tм=40-60оС, tм=50оС; Ко- критерий Коссевича:
где r1 -скрытая теплота парообразования при температуре мокрого термометра, кДж/кг;
-влажность суспензии при входе в сушилку и конечного сухого продукта, %.
Удельная теплоемкость:
газов N2, О2, СО2 =29,77,
Н2О=36,30
С2=,
.
Диаметр сушильной камеры определяется:
D=2,4*Rф=2,4*3,6594=8,78 м.
Рабочий объем сушилки определяется по формуле:
V=
где W- производительность сушилки по испаряемой влаге, кг/ч;
n - количество сушилок, шт.;
А - производительность 1 м3 рабочего объема камеры по испаряемой влаге, кг/м3*ч. Величина А выбирается по графику A=f(?T), где заштрихованная область соответствует начальным режимам работы сушилки.
?T=,
где t1 - температура агента перед сушкой, оС;
t2 - температура сушильного агента после сушки, °С;
tм - температура мокрого термометра, °С.
Рабочая высота сушильной камеры равна
.
Вычисленные величины диаметра и высоты сушильной камеры сравниваются с габаритами выбранного типа сушилки.
Габариты сушилки, мм
теоретически
практически
диаметр
12500
8780
высота
21640
18360
Рассчитанные параметры сушилки не превышают параметры выбранного типа сушилки, значит, выбранный тип сушилки подходит для данного расчета.
5. Расчет циклонов
Расчет циклонов сводятся к определению их количества, гидравлического сопротивления и эффективности улавливания выли.
Объемный расход сушильного агента:
V=.
Основной характеристики циклона является диаметр его корпуса. Диаметр цилиндрической части циклона определяется:
где V - объемный расход газа (сушильного агента), м3/ч;
Wr - скорость газа в цилиндрической части циклона, м/с;
П - количество циклонов.
где ?Р - сопротивление циклона, Па;
? - коэффициент гидравлического сопротивления циклона;
?=245;
?r - плотность газа, кг/м3;
500-750 ; 625;
D=1,3м < Dмакс=1,8м
Вычислив диаметр циклона, определяем основные размеры циклонов:
Тип циклона
ЦН-11
Максимальный диаметр, м
1,8
Диаметр выхлопной трубы, м
0,6
Диаметр пылевыпускающего отверстия, м
0,3-0,4
Ширина входного патрубка, м
0,26
Высота водного патрубка, м
0,48
Высота выхлопной трубы, м
1,56
Высота выхлопного патрубка, м
0,3
Высота цилиндрической части, м
2,08
Высота конической части, м
2,00
Общая высота циклона, м
4,38
Коэффициент гидравлического сопротивления
245
6 Расчет скрубберов Вентури
Скрубберы Вентури используются в качестве второй ступени пылеулавливания на установках с большим расходом запыленного газа.
Расход воды, подаваемой в трубу Вентури, находится из уравнения теплового баланса: