Псевдозрідження («киплячий», або зважений шар)

У різних галузях харчової технології за останні роки для інтенсифікації таких процесів, як сушка, адсорбція, кристалізація та ін., що протікають за участю твердої фази, застосовується псевдозрідження, або так званий зважений, або "киплячий", шар. У "киплячому" шарі, наприклад, висушують зерно, цукор-пісок, дріжджі, желатин та ін.

Суть псевдозрідження полягає в тому, що при продуванні повітря з певною швидкістю через шар зернистого матеріалу, що знаходиться на гратах, останній переходить в зважений стан, набуває властивість плинності і переміщається по гратах. Зовні такий шар нагадує киплячу рідину. При русі повітря через зернистий шар можливі наступні стани:

1) при невеликих швидкостях повітря він фільтрується через нерухомий шар; при цьому порозность е шару залишається незмінною і рівна або менше 0,4 (мал. 3.29, а);

2) зі збільшенням швидкості повітря до такого значення, при якому підйомна сила потоку стане рівною вазі шару часток, шар придбаває плинність і переходить в псевдозріджений стан; швидкість wн відповідає цьому моменту, називається критичною швидкістю, або швидкістю початку псевдозрідженні

Малюнок 3.29 Рух газу в зернистому шарі

 

(мал. 3.29, б).При цьому порозность шару 1 > ε > 0,4, а в оптимальному (робітнику) режимі порозность складає 0,55…0,75;

3) при більшій швидкості потоку повітря підйомна сила його стає більше ваги шару, частки захоплюються потоком і починають переміщатися разом з ним, т. е. починається пневмотранспорт матеріалу; швидкість w _в, що відповідає цьому моменту, називається швидкістю віднесення (витання). Такий режим не характерний для псевдозрідження (мал. 3.29, в).

У зрідженому шарі частки зернистого матеріалу, що хаотично переміщаються, мають високу поверхню контакту з повітрям і тому процеси перенесення речовини або тепла, що відбуваються в них, набагато інтенсифікуються.

Основними показниками псевдозрідженого шару є:

а) перепад тисків Δ р в шарі, або його гідравлічний опір;

б) швидкість початку зрідження w _н і швидкість початку віднесення (витання) w _в;

в) міра однорідності зернистого матеріалу по розмірах або масі його часток.

Гідравлічний опір зрідженого шару зернистого матеріалу представляють у вигляді кривої псевдозрідження, що виражає залежність перепаду тисків Δ р в шарі від швидкості w повітря (мал. 3.30). Розрізняють ідеальну і реальну криві псевдозрідження. На ідеальній кривій зрідження (мал. 3.30, а) ділянка ОА, що відповідає режиму фільтрування, характеризує лінійне збільшення Δ р в нерухомому шарі із зростанням w.

Горизонтальна ділянка АВ зображує псевдозріджений стан, що характеризується рівністю підйомної сили потоку повітря і ваги зрідженого шару. Точка А характеризує початок зрідження, і швидкість wн, що відповідає їй, називається швидкістю початку зрідження.

Зі збільшенням швидкості повітря в шарі до w _у зростає як його висота Н, так і його порозность ε. При цьому значення (1 – ε) зменшується, а добуток Н (1 – ε) залишається постійним, оскільки маса часток в шарі залишається колишньою. При w > w _в у зв'язку з віднесенням часток масовий зміст їх в зрідженому шарі зменшується і Δ р падає (ділянка ВС).

Реальна крива псевдозрідження (мал. 3.30, б) аналогічна ідеальній кривій з тією лише різницею, що в реальних умовах крутизна висхідної гілки ОА залежить від щільності засипки твердих часток і при щільнішій засипці опір шару вище і крива ОА буде крутіша. Крім того, в реальних умовах зрідження під час переходу нерухомого шару в режим зрідження на подолання сил зчеплення між частками витрачається частина енергії повітряного потоку; на малюнку це представлено у

Малюнок 3.30 Криві псевдозрідження

вигляді піку тиску (ділянка АА').

Величина Δ р, що визначає вибір повітродувки для установки з «киплячим» шаром, знаходиться з умови рівності сили гідравлічного опору зрідженого шару і ваги G _c зважених в нім часток, тобто

 

Δ р f _с = G _с.

 

звідки гідравлічний опір шару (в Па)

 

Δ р = G _с / f _с, (3.47)

 

де f _с – площа підстави шару, постійного по висоті, м².

Вес шару на початку зрідження при висоті Н _н, його порозности ε _н і з урахуванням підйомної сили повітря складе

 

G _с = Н _н f _с (ρ _ч – ρ _п) (1 – ε _н) g, (3.48)

 

де ρ_ч й ρ _п – густини часток і повітря, кг/м³,

Після підстановки значення G _с в рівняння (3.47) і якщо нехтувати густиною повітря як незначною в порівнянні з густиною часток, гідравлічний опір шару на початку зрідження складе

 

Δ р _н = Н _н ρ _ч (1 – ε _н) g. (3.49)

 

Аналогічно для оптимального зрідження, при якому висота шару рівна Н ₀, а його порозность ε ₀,

 

Δ р ₀ = Н ₀ ρ _ч (1 – ε ₀) g. (3.50)

 

Рівняння (3.49) і (3.50) виражають відомий закон гідростатики (тиск у будь-якій точці шару рідини дорівнює твору її питомої ваги на висоту шару) що свідчить про аналогію між псевдозрідженим шаром і рідиною.

Оскільки в процесі зрідження Δ р _н = Δ р ₀ = const, то, прирівнявши праві частини рівнянь (3.49) і (3.50), знаходять висоту зрідженого шару (в м)

 

Н ₀ = Н _н (1 – ε _н) / (1 – ε ₀). (3.51)

 

Швидкість w _н початку зрідження, що відповідає точці А′, О.М. Тодес рекомендує визначати з наступної критерійної залежності для Rе _н, отриманою для сферичних часток при порозности шару ε = 0,4:

Rе_н = w _н d _е / ν _п = Аr / (1400 + 5,22 √ Ar), (3.52)

 

де Аr – значення критерію Архімеда;

 

Аr = g d _ч³ (ρ _ч – ρ _п) / (ν _п² ρ _п);

 

d _е – еквівалентний діаметр часток, м;

ρ _ч и ρ _п – густини часток і повітря, кг/м³;

ν _п – кінематична в'язкість повітря, м²/с.

Швидкість w _в початку віднесення часток знаходять із наступної формули для Rе _в

Rе _в = w _в d _е / ν _п = Аr / (18 + 0,61 √ Ar). (3.53)

 

Оптимальне (робоче) значення швидкості повітря w ₀, що забезпечує інтенсивне перемішування «киплячого» шару, И.М. Федоров рекомендує визначати по формулі

 

Rе ₀ = w ₀ d _е / ν _п = 0,22 Аr ^0,52. (3.54)

Малюнок 3.31 Схема сушіння з «киплячим» шаром

Відношення оптимальної швидкості псевдозрідження w ₀ до швидкості w _н початку зрідження називають числом псевдозрідження. Воно характеризує інтенсивність перемішування часток в зрідженому шарі. Встановлено, що оптимальному зрідженню відповідає відношення w ₀ / w _н = 2…3. При більшому числі зрідження в зернистому шарі повітря утворює окремі канали, по яких він проривається і викидає частки зернистого шару. При цьому порушується рівномірний контакт між фазами і погіршується течія процесу.

Порозность ε ₀ зрідженого шару В. Г. Айнштейн рекомендує розраховувати по формулі

 

ε ₀ = ε _н (w ₀ / w _н) ^п. (3.55)

 

де w ₀ и w _н – швидкості повітря (оптимальна і у момент початку зрідження), м/с;

ε _н – порозность шару на початку зрідження (зазвичай на 15...20% вище порозности нерухомого шару).

Показник міри п для часток розміром 0,3 ≤ d _е ≤ 2,7 мм знаходять по формулі

 

п = 0,065 + 0,05 d _е,

 

де d _е – еквівалентний діаметр часток, мм.

При d _е > 2,7 п ≈ 0,2.

Останні роки були періодом широкого впровадження методу псевдозрідження в найрізноманітніші галузі харчової промисловості, були розроблені численні варіанти апаратів з псевдозрідженим шаром, що враховують специфічні особливості взаємодіючих середовищ, вимоги до якості отримуваних продуктів і технологічні умови протікання процесів. Наприклад, на мал. (3.31) представлена схема сушарки з «киплячим» шаром. У камері 1 цієї сушарки здійснюється процес сушки зернистого матеріалу в зрідженому шарі за допомогою нагрітого повітря, що поступає під грати 2. Потім сухий продукт через турнікет 3 поступає в камеру 4, де він в зрідженому стані охолоджується до заданої температури холодним повітрям, що поступає під грати 5, і відводиться за межі пристрою.

Недоліком такої сушарки є змішування того, що поступає в камеру 1 вологого матеріалу з висушеним, а звідси і можливе проскакування недовысушенного матеріалу в готовий продукт. Крім того, спостерігається стирання часток і підвищений знос апаратів за рахунок ерозії металу. Зважений шар може бути утворений не лише потоком повітря або газу, але і потоком рідини, що має місце в адсорберах, кристалізаторах і інших пристроях, працюючих на цьому принципі.

Основним регульованим параметром процесу перемішування є міра однорідності отримуваної суміші, яка залежить від ефективності перемішування і питомої витрати енергії на проведення процесу.

 

 

Завдання

Варіант завдання 1.

Зробіть аналіз вивченого матеріалу та оформить результат самостійної роботи у виді графо-конспекту згідно слідуючих пунктів:

1. Доповніть матеріал про переодичні фільтри з наданням схем.

2. Розгляньте схеми барабанних вакуум-фільтрів безперервної дії та зробіть аналіз.

3. Дізнайтесь які параметри визначають у ході розрахунку фільтрів.

4. Дізнайтесь про характеристику процесу фільтрування під дією відцентрової сили й його повний цикл.

5. Розгляньте основне рівняння фільтрування під дією відцентрової сили.

6. Розгляньте будову та принцип дії центрифуг.

7. Вивчити засоби зворотнього осмосу і ультрафильтровання.

8.. Зробіть аналіз засобів зворотнього осмосу і ультрафильтровання.

9. Розгляньте рівняння Вант-Гоффа.

10. Розгляньте напівпроникли мембрани, основні вимоги до них та вивчить їх основні характеристики.

11. Зробіть аналіз засобів зворотнього осмосу і ультрафильтровання та іншими процесами.

12. Накреслити принципові схеми промислових апаратів зворотнього осмосу і ультрафильтровання та зробіть аналіз їх роботи.

13. Дізнайтесь про основні регульовані параметрами процесу фільтрування.

14. Вивчить загальну характеристику процесів очистки.

15. Розгляньте способи та пристрої для очищення повітря й газів.

16. Розгляньте електроосадження та схеми пристроїв.

17. З'ясувати яка сутність процесу електрофільтрування.

18. Дізнайтесь про основні регульовані параметрами процесу очищення повітря і газів.

19. Розгляньте схему циркуляційного перемішування.

20. Зробіть аналіз апаратів потокового перемішування.

21. Доведіть на прикладах схем приладів чим відрізняються пневматичне перемішення та аерація.

22. Дізнайтесь про перемішування і змішування сипких і пластичних матеріалів.

23. Розкрийте суть процесу псевдозрідження.

24. Доповніть матеріал про основні показники псевдозрідженого шару та його криві.

25. Вивчити методику розрахунку числа псевдозрідження.

26. Розгляньте схеми пристроїв з «киплячим» шаром.

27. Дізнайтесь про основні регульовані параметрами процесу перемішування.

 

Варіант завдання 2.

Оформити результат самостійної роботи у виді ребусів, кросвордів, тестових питань або рефератів згідно тем й вказівок викладача.

 

 

Контрольні питання

 

1. Які переваги і недоліки фільтрів періодичної дії?

2. Чому барабанний вакуум-фільтр з фільтрувальною тканиною, що сходить, має більшу продуктивність?

3. Які характеристики визначають для фільтрів переодичної і безперервної дії?

4. Чим є рушійна сила при фільтруванні під дією відцентрової сили?

5. Яка величина при фільтруванні під дією відцентрової сили є постійною?

6. Які пристрої застосовуються при фільтруванні під дією відцентрової сили?

7. Що таке «зворотній осмос»?

8. Які спільні та відмінні риси зворотнього осмосу і ультрафильтровання та фільтрування?

9. Від чого залежить осмотичний тиск?

10. Яким основним вимогам повинні відповідати полупрониклі мембрани?

11. Чому зворотній осмос і ультрафильтровання не мають поки широкого застосування в промисловості?

12. Які апарати використовують в промисловості?

13. Які основні регульовані параметрами процесу фільтрування та від чого вони залежать?

14. Чим оцінюють ефективність роботи пристроїв для очищення повітря й газів?

15. Чому таке різмаїття пристроїв для очищення повітря й газів?

16. Яка сутність процесу електроосадження?

17. Які основні параметри електроструму потрібні для реалізації електрофільтрування?

18. Що таке «коронирующий» електрод?

19. Які основні регульовані параметри процесу очищення повітря і газів?

20. Як здійснюється циркуляційне перемішування?

21. На якому принципі засновано потокове перемішування?

22. Від чого залежить пневматичне перемішення та аерація?

23. Які пристрої застосовують для перемішування і змішування сипких і пластичних матеріалів?

24. Що таке «киплячий», зважений шар та де він використовується?

25. Які основні показники псевдозрідженого шару?

26. Яка величина визначає вибір повітродувки для установки з «киплячим» шаром?

27. Які швидкості мають місце при понятті «киплячий» шар?

28. Що визначає термін число псевдозрідження?

29. Який устрій та робота пристроїв з «киплячим» шаром?

30. Які основні регульовані параметрами процесу перемішування та від чого вони залежать?

 

 

Рекомендована література.

 

[1] с. 66…88; 94…102.

[2] с. 148…149.

 

Література

 

1. Стабников В.М., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.– М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.–228 с.

 

2. Стабников В.М., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств.– М.: Агропромиздат, 1985.–503 с.

 

3. Баранцев В.И. Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств.– М.: Агропромиздат, 1985.–136 с.

 

4. Чернов А.В., Бессребренников Н.К., Силецкий В.С. Основы гидравлики и теплотехники.– М.: Энергия, 1976.–416 с.

 

5. Процеси та апарати харчових виробництв. Підручник. / за ред. Поперечного А.М.– К.: Центр учбової літератури, 2007. – 304 с.