Исследование процессов работы промышленного кристаллизатора для очистки воды вымораживанием

Введение. Вода является одним из самых распространенных веществ нашей планеты и покрывает большую ее часть. Используется в огромных количествах в различных областях промышленности. Так как она является прекрасным растворителем, круговорот ее в природе обеспечивает перенос органических и неорганических веществ по земле. Перед использованием воду подвергают множеству стадий очистки в зависимости от требований, предъявляемых на производстве. К основным п о казателям воды относятся: прозрачность, pH, жесткость, окисляемость, сухой остаток и содержание различных газов [1, 2].

В пищевых производствах перспективным методом очистки воды является очистка методом разделительного вымораживания [3– 5]. Данный метод основан на следующем принципе: при замерзании растворов кристаллизуется чистый растворитель – вода, а раствор насыщается остатком растворенных веществ. Удаление насыщенного примесями раствора и процесс плавления льда завершает процесс водоподготовки.

Настоящая работа направлена на исследование процесса разделительного вымораживания воды в промышленном кристаллизаторе.

Цель работы. Исследование характеристик процесса разделительного вымораживания в промышленных кристаллизаторах, предназначенных для очистки воды.

Материалы и методы исследований. Для проведения экспериментальных исследований был использован ёмкостный кристаллизатор промышленного назначения. Кристаллизатор (рис. 1) состоит из пластиковой емкости в стальной раме. Внутрь кристаллизатора поместили 4 пластиковые трубки d=25 мм, выходящие из коллектора d=50 мм, расположенные по спирали, всего 14 витков на каждую трубку. Выход этих трубок из кристаллизаторов также оборудован в коллектор d=50 мм.

Система очистки воды вымораживанием крайне проста и эффективна. Прежде всего через трубопроводы в данные емкости поступает водопроводная вода с температурой +8°С и наполняет их определенным объемом. Нагнетаемый хладоноситель (фризиум) проходит по трубкам в кристаллизаторы и охлаждает воду до 0°С, затем вода структурируется и намораживается на трубках кристаллизатора определенным слоем льда. Заметим, что оба процесса происходят за определенное время, а именно за один час. После этого воду сливают, а наморозившийся лед растапливается. Образованная таким образом чистая вода может направляться на дальнейшее использование в различных отраслях промышленности.

Рис. 1. Схема емкостного кристаллизатора

Эксперименты проводились в трехкратной повторности. Вымораживание осуществлялось в течение 180 мин при температурах хладоно-сителя -2, -5, -7 и -10 ° С. В качестве исходной воды использовали воду из водопроводной сети города Кемерово.

Результаты и их обсуждение. На рисунке 2 приведены графики изменения толщины слоя льда и массы вымороженной воды от времени кристаллизации.

По зависимости толщины слоя льда от времени (рис. 2, а) можно рассчитать скорость образования ледяного массива на теплообменной поверхности трубок по следующей формуле [6]:

v =

5_J-8 _J -_L

т

где ν – скорость изменения толщины слоя льда, м/ч; δi – толщина слоя в заданный момент вре- мени, м; τ – время, за которое произошло изменение толщины слоя льда от δi-1 до δi, ч.

Результаты расчета приведены на рисунке 3.

Из представленных данных следует, что зависимость толщины слоя льда от времени кристаллизации имеет нелинейный характер. Наибольшая скорость льдообразования наблюдается в течение первых 15 мин процесса кристаллизации и составляет от 5 до 20 мм в час. За указанное время был сформирован ледяной массив с толщиной стенки от 1 до 5 мм в зависимости от температуры хладоносителя. Со временем скорость образования льда снижается, что обусловлено повышением термического сопротивления между теплообменными поверхностями трубок кристаллизаторов и внешней поверхностью ледяного массива. Через 180 мин процесса скорость льдообразования снизилась до 2–5 мм/ч.

Продолжительность вымораживания, мин

а

Продолжительность вымораживания, мин

б

Рис. 2. Графики зависимости толщины слоя льда (а) и массы льда (б) от времени кристаллизации воды при температуре хладоносителя: 1 - минус 10 ° С; 2 - минус 7 °C;

3 - минус 5°С; 4 - минус 2 °C

По графикам, приведеннным на рисунке 2,а, были разработаны уравнения регрессии, позволяющие расчитать толщину слоя льда от времени кристаллизации:

5_₂ = - 3 • 10 - ⁹ т ² + 1 ■ 10 - ⁵ r ;R² = 999;

8 _ 5 =- 8 ■ 10 - Т + 2 ■ 10 - T ;R² = 998;        (2)

^₇ =- 1 ■ 10 - ⁸ т ² + 3 ■ 10 - ⁵ т + 0,001;R² = 998;

8 _ 1₀ =- 1 ■ 10 ^- Т ² + 4 ■ 10 ^{- 5} т + 0001;R² = 997.

где δ – толщина слоя льда, м; τ – продолжительность процесса кристаллизации, мин.

Приведем расчет необходимой холодопроизводительности для осуществления процесса разделительного вымораживания.

Для того чтобы получить нужное количество льда, требуется сначала охладить водопроводную воду с +8°С до 0°С, а потом её заморозить. Все это происходит за 2 часа.

Требуемая холодопроизводительность для намораживания одной тонны льда Q , кВт, определяется по формуле [7]

Q общ1 = Q i + Q 2 + Q np ,      (3)

где Q – требуемая холодопроизводительность для охлаждения воды, кВт; Q – требуемая хо- лодопроизводительность для заморозки воды, кВт; Q – нагрузка от потерь, кВт.

В соответствии с графиками на рисунке 2 и исходя из конструктивных параметров кристаллизатора, слой льда, намораживаемый на трубках теплообменника, достигает толщины 25 мм за 2,5 часа при температуре хладоносителя -10 °С, что эквивалентно 1 тонне образованного льда.

Рис. 3. Скорость изменения толщины слоя льда от времени кристаллизации воды при температуре хладоносителя: 1 - минус 10 ° С; 2 - минус 7 ° C; 3 - минус 5 ° C; 4 - минус 2 °C

При необходимой производительности 0,5 тонны льда в час количество воды, подаваемой на обработку, должно составлять m =

1000 кг/час, тогда массовый расход воды G , кг/с, составит [7]

G e = m^ τ

где т_в - масса воды, кг; т - время, с.

G = ¹⁰⁰⁰ = 0,278 кг/с.

в 3600

Расход льда G , кг/с, определяется по формуле [7]

G л = m ,            (5)

т где тл - масса воды, кг; т - время, с.

G = 5⁰⁰- = 0,139 кг/с.

л 3600

Требуемая холодопроизводительность для охлаждения воды Q ₁ , кВт, определяется по формуле [7]

Q i = G e • С в • (t e — U (6) где G – расход воды, кг/с; c – удельная теплоемкость, кДж/(кг∙К); t – температура воды, К; t – нулевая температура, К.

Q_l = 0,2 78 • 4,2 • (281 - 2 73) = 9,34 кВт.

Требуемая холодопроизводительность для заморозки воды Q ₂ , кВт, определяется по формуле [7]

Q 2 = G • г_л, (7) где G – расход льда; r – теплоемкость ( r =334 кДж/кг).

Q₂ = 0,139 • 334 = 46,43 кВт.

Холодопроизводительность потерь Q , кВт, пр определяется по формуле [7]

Q np = 0,1 • (Q 1 + Q 2 ).         (8)   6

Q_np = 0,1 • (9,34 + 46,43) = 5,58 кВт.

Q_общ1 = 9,34 + 46,43 + 5,58 = 61,35 кВт.

Выводы. Таким образом, в ходе проведенных исследований была установлена зависимость количества вымороженной влаги на        теплообменной        поверхности кристаллизатора от продолжительности процесса, разработаны   соответствующие уравнения регрессии. В рассмотренной установке для обеспечения производительности в 0,5 тонны льда в час температура хладоносителя должна составлять -10 °С, а продолжительность процесса кристаллизации – 1 час. Рассчитана необходимая холодопроизводительность для обеспечения процесса при указанных режимах, которая составила 61,35 кВт.