Анализ тепло-массообменных процессов в кристаллизаторе с циклическими температурными режимами

В кристаллизаторе с циклическими температурными режимами работы процесс кристаллизации протекает в двух вертикальных колонках, в которых происходит периодически сменяющийся нагрев и охлаждение кристаллизата. Циклический температурный режим позволяет интенсифицировать процесс кристаллизации и одновременно осуществлять концентрацию кристаллизата. Охлаждение и нагревание колонок производится с помощью холодного и горячего воздуха, а также горячей и холодной воды. Для одновременного получения горячего и холодного воздуха применяется вихревое устройство Ранка-Хильша. Проведенные ранее расчеты и эксперименты показали, что одно воздушное охлаждение и нагревание не позволяет достаточно быстро сконцентрировать кристаллизат до требуемых для нормального процесса кристаллизации 50-ти процентного содержания сухих веществ [1–4]. При этом процесс кристаллизации продолжается 24 часа, а содержание сухих веществ в кристаллизате повышается с 45–50 % до 55–57 %.

Целью работы является анализ возможности интенсификации процесса кристаллизации и обеспечения замены дорогостоящего и энергоемкого вакуум-выпаривания исходной сыворотки на мембранное концентрирование с последующей концентрацией ее в кристаллизаторе. Для интенсификации процессов концентрирования сыворотки и кристаллизации одновременно с воздушным циклическим нагревом и охлаждением колонок кристаллизатора предусмотрено дополнительное их водяное охлаждение и нагревание.

Принцип действия аппарата заключается в следующем. В одну колонку сквозь слой кристаллизата по касательной к внутренней стенке аппарата барботируется холодный воздух, в другую – горячий. Кроме того, для интенсификации процессов охлаждения и нагревания колонок горячая колонка дополнительно обогревается горячей водой, а холодная – холодной. По истечении половины цикла срабатывает временная программа и, благодаря средствам автоматизации, происходит смена подачи воздуха и воды. Холодный воздух и соответственно, холодная вода перебрасываются в нагретую за первый период цикла колонку, а горячий воздух и горячая вода – в охлажденную. При этом холодная колонка начинает нагреваться, а горячая – охлаждаться

Устройство аппарата включает две колонки, внутри которых расположены барботеры, представляющие собой перфорированные цилиндрические вставки, через которые подается горячий воздух с температурой 60 оС и холодный воздух с температурой 0 оС. Отверстия в барбатере располагаются по касательной к внутренней поверхности колонки. Такая конструкция барбатера позволяет придавать вращательное движение как барботируемому воздуху, так и продукту внутри колонки. В результате интенсифицируется теплопередача между воздухом и кристаллизатом. Горячий и холодный воздух получается при прохождении воздуха с комнатной температурой через вихревую трубу Ранка-Хильша. Заполнение аппарата осуществляется через верхние крышки. Готовые кристаллы удаляются из колонок через специальные штуцера. Одновременно с воздухом в рубашку каждой колонки подается горячая или ледяная вода. В рубашке имеется направляющая винтовая перегородка, благодаря которой, вода циркулирует, закручиваясь в противоположную сторону от вращения продукта в колонке.

Для анализа возможности интенсификации процесса кристаллизации и обеспечения замены дорогостоящего и энергоемкого вакуум-выпаривания исходной сыворотки на мембранное концентрирование с последующей концентрацией ее в кристаллизаторе были проведены расчеты, позволяющие проанализировать изме- нение процентного содержания сухих веществ в кристаллизате в зависимости от продолжительности одного цикла его работы. Еще раз отметим, что один цикл работы каждой колонки складывается из двух периодов в течение одного из которых происходит нагревание колонки, а в течение другого – ее охлаждение. Анализировалась циклическая работа каждой колонки кристаллизатора с четырьмя различными режимами, отличающимися продолжительностью одного цикла (1, 2, 3 и 4 часа) при общей продолжительности работы кристаллизатора 7,5–8 часов.

В таблице приведен пример расчета для первой половины одного цикла работы кристаллизатора, продолжительностью 1 час для следующих исходных данных: коэффициент поверхностного натяжения на границе воздушного пузырька и кристаллизата 42,5·10-3 Н/м; кинематическая и динамическая вязкость кристал-лизата 16,16·10-6м2/с и 21·10-3 Па·с соответственно; удельная теплоемкость кри-сталлизата 3290 Дж/(кг·°С); теплопроводность кристаллизата 0,6 Вт/(м∙К); удельная теплота парообразования 2,38·106 Дж/кг; теплопроводность воздуха 0,026 Вт/ (м∙К); плотность воздуха 1,2 кг/м3; коэффициент теплопередачи между воздушным пузырьком и кристаллизатом 8 Вт/(м2∙К); объем колонки кристаллизатора 10 м3; расход горячего воздуха в колонке 0,0036 м3/с.; расход холодного воздуха в колонке 0,0012 м3/с.; общая площадь поверхности пузырьков находящихся одновременно в нагревающейся колонке 8, м2; общая площадь поверхности пузырьков находящихся одновременно в охлаждающейся колонке 2,8 м2; температура горячего воздуха 60 ºС; температура холодного воздуха 0 ºС; коэффициент теплопередачи теплоносителя (воды) 249,4 Вт/м2·К; площадь поверхности теплообмена 0,196 м2, температура горячей воды 90 ºС; температура ледяной воды 1 ºС.

Таблица 1

На графике приведена зависимость содержания сухих веществ от времени для всех исследуемых циклов работы.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 1 час, за 7 циклов работы, содержание сухих веществ достигает только 45 % . Поскольку необходимое содержание сухих веществ в 50 % не достигается, то данный режим работы нельзя признать эффективным, так как для достижения оптимальных 50 % концентрации потребуется еще дополнительное время.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 2 час, за 3 цикла работы содержание сухих веществ достигает 45 %, а за 7 часов работы в горячей колонке содержание сухих веществ достигает требуемых 50 %.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 3 час, за 2 цикла работы содержание сухих веществ достигает 45 %, а за 7 часов работы в горячей колонке содержание сухих веществ поднимется до 52 %.

При продолжительности цикла работы кристаллизатора 4 час, за 1 цикла работы, содержание сухих веществ достигает 43 %, а за 7 часов работы в горячей колонке содержание сухих веществ достигнет 52 %.

Таким образом, чем продолжительнее цикл, тем интенсивнее происходит выпаривание кристаллизата, но при этом утрачивается основное преимущество процесса кристаллизации – цикличность. Безусловно, использование горячей и холодной воды дополнительно к воздушному охлаждению и нагреванию значительно интенсифицирует процесс, обеспечивая возможность за короткий промежуток времени (~ 8 часов) повысить концентрацию от 30 до 50 % при одновременной кристаллизации лактозы. Однако для оптимизации продолжительности цикла, а также оптимизации интенсивности подачи воздуха и воды следует провести дополнительные экспериментальные исследования.