Расчет распылительной сушилки

Введение

Сушка — процесс удаления влаги из материалов путем испарения и отвода паровой фазы.

В процессах сушки в основном удаляется влага, связанная лишь механически. Влага испаряется с поверхности материала за счет энергии, подводимой к нему теплоносителем.

Сушка — один из самых распространенных и в то же время энергоемких и дорогостоящих способов консервирования, так как удаление влаги способствует подавлению действия микроорганизмов, значительно сокращаются расходы на транспортировку и хранение, так как резко уменьшается вес и объем продукта.

Сухое молоко представляет собой растворимый порошок, получаемый высушиванием нормализованного пастеризованного коровьего молока. Обычно разводится в тёплой воде и употребляется в качестве напитка, при этом сохраняет все полезные свойства свежего пастеризованного молока. Имеет широкое применение в кулинарии. Входит в состав многих видов детского питания.

Изготовление сухого молока обусловлено более длительным сроком хранения данного продукта по сравнению с обычным молоком.

Коровье молоко нормализуют, пастеризуют и сгущают. Затем производят гомогенизацию сгущённого молока и его сушку на распылительных или вальцовых сушилках.

На распылительных установках молоко сушат при температуре 150—180 °C.

Распылительные сушилки пользуются большей популярностью у производителей из-за высокой производительности и постоянного качества сухого молока.

Первоначально для сушки молока использовались преимущественно вальцовые сушилки, основанные на методе кондуктивной сушки.

Обычно на вальцовую сушилку поступает концентрат цельного молока после мультициклонных выпарных аппаратов с содержанием сухих веществ около 40%. Готовый продукт имеет остаточную влажность около 3%. Сухое молоко, производимое на вальцовых сушилках, имеет особые органолептические свойства. При соприкосновении сгущёного молока с нагретой поверхностью барабана происходит его карамелизация. Таким образом, молоко, высушенное на вальцовых сушилках, имеет своеобразный привкус карамели. Сухое молоко вальцовой сушки имеет большое количество свободных жиров, поэтому является незаменимым ингредиентом в шоколадной промышленности, позволяющим значительно сократить количество дорогого масла какао. Существенным недостатком такого вида сушки является малая производительность: в зависимости от величины вальцовой установки до 1000 кг/ч.

После сушки молоко просеивают и охлаждают.

Для увеличения срока годности продукта производят его фасовку в вакуумные пакеты или используют инертные газы.

Сухое молоко производится в соответствии с ГОСТ 4495–87 «Молоко цельное сухое» и ГОСТ Р 52 791−2007 «Консервы молочные. Молоко сухое. Технические условия».

1. Расчет распылительной сушилки Производительность по сухому материалу GF = 0,49 т/ч.

Начальная влажность высушиваемого материала Wн = 52%; конечная Wк = 4,9%. Температура воздуха на входе в сушилку t1 = 180 °C, температура воздуха на выходе из сушилки t2 = 90 °C. Температура материала на входе в сушилку O = 60 °C. Потери тепла qn = 8.0%. Высушиваемый материал — обезжиренное молоко.

1.1 Материальный баланс сушилки Массу влажного продукта, загружаемого в сушилку, определяем по формуле

(1)

где G2 — масса продукта, полученного после сушки, кг; - процентное содержание влаги в сухом продукте, %; - процентное содержание влаги во влажном продукте, %;

.

Количество влаги, подлежащей выпариванию W, кг/ч, определяем по формуле

(2)

.

1.2 Геометрический расчет сушильной башни Определим внутренний объем по формуле

(3)

где, А — напряжение башни по влаге, А = 3,33 кг/м3,

.

Определим диаметр башни по формуле

(4)

где К — отношение высоты башни к ее диаметру, К = 1,15.

.

Высота башни определяется по формуле

(5)

1.3 Расчет теплопотерь при сушке на 1 кг испаренной влаги Определим теплопотери в окружающую среду, кДж/кг, принимая теплопотери с 1 м² равными 4,18 кДж/ч, по формуле

(6)

Определим теплоемкость высушенного материала, кДж/(кг•К), по формуле

(7)

где — теплоемкость абсолютно сухого материала, кДж/(кг•К);

.

Теплопотери на нагрев продукта определяем по формуле

(8)

где — температура продукта на входе в камеру, = 20 °C, — температура продукта на выходе из камеры, = 60 °C;

.

Сумма теплопотерь определяется по формуле

(9)

.

1.4 Аналитический расчет сушильного процесса в распылительной башне Влагосодержание наружного воздуха, г водяного пара/кг сухого воздуха, определяется по формуле

(10)

где — относительная влажность наружного воздуха; - давление насыщенного водяного пара при температуре, при, при (для Воронежа); - барометрическое давление на входе в сушилку,

зимой:

;

летом:

.

Теплоемкость влажного воздуха С, кДж/(кг•К) на 1 кг сухого воздуха определяется по формуле

(11)

где — теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг•К); - теплоемкость насыщенного сухого водяного пара, кДж/(кг•К);

зимой:

;

летом:

.

Теплосодержание водяного пара на выходе из башни i, кДж/кг, определяется по формуле

(12)

где — полная теплота водяного пара при 0 °C; - температура воздуха на выходе из сушильной башни, .

.

Влагосодержание наружного воздуха d2, г водяного пара/кг сухого воздуха, на выходе из сушильной башни определяется по формуле

(13)

где — температура на входе в сушильную башню, °С.

зимой:

летом:

.

Относительная влажность воздуха на выходе из башни определяется по формуле

(14)

где — давление насыщенного пара при, Па, Па.

зимой:

летом:

.

Относительный расход абсолютно сухого воздуха на сушку, кг сухого воздуха/кг испарен влаги, определяется по формуле

. (15)

зимой:

летом:

.

Расход тепла на сушку определяется по формуле

(16)

где — температура наружного воздуха, °С.

зимой:

летом:

.

Расход воздуха в сушильной башне за 1 час работы сушилки L, кг сухого воздуха/ч, рассчитывается по формуле

. (17)

зимой:

летом:

.

Расход тепла в сушильной башне за 1 час работы сушилки, кДж/ч, рассчитывается по формуле

. (18)

зимой:

летом:

.

2. Расчет сушки с предварительным обезвоживанием в контактном испарителе Принимаем, что в испарителе молоко подогревается с C до С, температура воздуха, поступающего из сушильной башни, с C понижается до С.

2.1 Аналитический расчет сушильного процесса в испарителе Теплоемкость поступающего в испаритель воздуха с, кДж/(кг•К), рассчитывается по формуле

. (19)

зимой:

летом:

.

Полная теплота водяного пара i, кДж/кг, на выходе из испарителя рассчитывается по формуле

(20)

где — температура воздуха на выходе из испарителя, °С.

.

Теплопотери в испарителе на подогрев продукта на 1 кг испаренной в установке влаги, кДж/кг испаренной влаги, определяется по формуле влага башня сушка молоко

(21)

где — теплоемкость влажного материала, кДж/(кг•К), определяется по формуле

(22)

.

Теплопотери в испарителе в окружающую среду принимают, учитывая температурный режим, равными 0% от теплопотерь башней, т. е. .

Суммарные теплопотери в испарителе определяются по формуле

(23)

.

Часть влаги х, испаряемой из продукта в испарителе, определяется по формуле

(24)

зимой:

летом:

.

Влагосодержание воздуха на выходе из испарителя, г водяного пара/кг сухого воздуха, определяется по формуле

(25)

зимой:

летом:

.

Относительная влажность воздуха на выходе из испарителя рассчитывается по формуле

(26)

где — давление насыщенного пара при, Па, Па.

зимой:

летом:

.

Количество испаренной воды в сушильной башне, кг/ч, определяется по формуле

(27)

зимой:

летом:

.

Количество испаренной воды в испарителе, кг/ч, определяется по формуле

(28)

зимой:

летом:

.

Относительная влажность материала на выходе из испарителя, %, рассчитывается по формуле

(29)

зимой:

летом:

.

Проверка расчетов по формуле

(30)

зимой:

летом:

.

Расход воздуха, кг сухого воздуха/ч, определяется по формуле

(31)

зимой:

летом:

.

Расход тепла, кДж/ч, определяется по формуле

(32)

зимой:

летом:

.

2.2 Экономия расходов Экономия в расходах по сравнению с сушкой без предварительного обезвоживания составит:

тепла зимой:

тепла летом:

воздуха зимой:

воздуха летом:

.

Полученные величины, являющиеся коэффициентами экономии, представляют собой ту часть влаги, которая испаряется из продукта в испарителе.

Производительность сушильной установки будет больше и составит по выпаренной влаге по формуле

(33)

.

т.е. увеличится на 16,5% при тех же расходах воздуха и тепла, что были определены для сушилки без предварительного обезвоживания.

3. Расчет рукавных фильтров Фильтрующая поверхность F, м2, определяется по формуле

(34)

где — производительность 1 м² фильтрующей поверхности рукавов в 1 ч/м2; - коэффициент, определяющий единовременно работающую часть фильтра, .

.

Количество рукавов n, шт., определяется по формуле

(35)

где — диаметр рукава, м;; - рабочая длина рукава, м; .

Потерю напора или сопротивление, Па, рассчитываем по формуле

(36)

где — опытный коэффициент, справедливый для определенной ткани,; - опытный показатель степени, .

4. Расчет калорифера Калорифер рассчитывают при оптимальной стоимости его эксплуатации на зимнее время работы.

Рассчитаем и подберем калорифер для подогрева наружного воздуха от -9,8°С до 180 °C.

Коэффициент экономических характеристик, А определяется по формуле

(37)

где — стоимость 1 кВт/час электроэнергии, руб.,; - стоимость 1 м² поверхности теплопередачи калорифера, руб.,; - годовая стоимость амортизации и ремонта калорифера в долях единицы от начальной стоимости,; - число часов работы калорифера в сутки,; - количество рабочих дней в году,; - плотность воздуха,; - КПД электродвигателя,; - КПД вентилятора, .

.

Оптимальная массовая скорость воздуха, , определяется по формуле

(38)

где — коэффициент опытных величин калорифера, для калорифера марки КФБ; - коэффициент отношений поверхности теплопередачи к живому сечению калорифера, для модели КФБ; m — коэффициент калорифера опытный, для модели КФБ .

.

Подберем калорифер, обеспечивающий оптимальную или ей близкую объемную скорость, , по формуле

(39)

где — живое сечение калорифера, м2,; - количество калориферов, установленных параллельно, Эту скорости применяют в дальнейших расчетах.

Коэффициент теплопередачи К,, определяется по формуле

(40)

где и — опытные коэффициенты, для марки КФБ

.

Поверхность теплопередачи F, м2, определяется по формуле

(41)

где — средняя разность температур пара и воздуха, которая определяется по формуле

(42)

где — начальная температура наружного воздуха, °С; - конечная температура наружного воздуха, °С; - температура пара, °С.

Количество калориферов x, установленных последовательно, определяется по формуле

(43)

где — поверхность передачи одного калорифера, для марки КФБ

.

Установочная поверхность рассчитывается по формуле

(44)

Сопротивление калорифера, Па, рассчитывается по формуле

(45)

где , — опытные коэффициенты, для марки КФБ; 9,8 — перевод мм.рт.ст. в Па.

Сопротивление калориферной станции, Па, определяется по формуле

(46)

Стоимость эксплуатации калориферной станции определяется по формуле

(47)

5. Расчет вентилятора Часовую производительность вентилятора, установленного за сушилкой и рассчитанного на отсос обработанного воздуха, м3/ч, определяется по формуле

(48)

где — плотность воздуха в зависимости от места установки вентилятора, рассчитывается по формуле

(47)

где — давление воздуха на выходе из сушилки,; - влагосодержание отработавшего воздуха, кг вод. пара/ кг сухого воздуха; - температура отработавшего воздуха,°С.

.

По полученной производительности выбираем вентилятор ВР 140−40.

Мощность двигателя данного вентилятора

Напор вентилятора — H = 900 Па.

Заключение

В ходе расчета и проектирования сушилки для сушки молока производительностью 800 кг/ч получены следующие значения:

— расход тепла в сушильной башне за 1 час работы сушилки

.

— техническая производительность по сырому продукту

.

Габариты сушильной башни

— высота … 6240 мм

— диаметр … 5430 мм Подобран калорифер марки КФБ-6, годовая стоимость эксплуатации которого составляет 2 513 718,167 руб/год.

Рассчитано количество рукавных фильтров, которое составило 12 шт.

При расчете процесса сушки с предварительным обезвоживанием в испарителе было определено, что производительность сушильной установки увеличится на 16,5% при тех же расходах воздуха и тепла, что и для сушки без предварительного обезвоживания.

В результате произведенных расчетов можно сделать вывод, что данная рассчитанная сушильная установка соответствует технологии производства сухого молока по расходам тепла и воздуха, а также габаритные размеры сушильной башни соответствуют выпускаемым.

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Издание 8-е, пер. и доп. Л., (Химия), 1976 — 552 с.

2. Логинов А. В., Остриков А. Н., Красовицкий Ю. В. Практикум по гидравлике. Руководство по изучению курса: уч. пособие.- Воронеж: ВГТА, 2009. 352 с.

3. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 2: Учеб. для вузов/ С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков и др.; под ред. акад. РАСХН В. А. Панфилова. — М.: Высш. шк., 2001. — 680 с.: ил

4. Лыков, М. В. Распылительные сушилки. Основы теории и расчета [Текст]/ М. В. Лыков, Б. И. Леончик — М.: Машиностроение, 1966 г. 331 с

.ur