SOME KINETIC FEATURES OF LIQUID DISPERSION PRODUCTS DRYING ON SOLID SUBSTRATES

Пахомов А.Н.¹, Васенина С.В.², Бирюкова И.А.³, Позднышева И.Г.⁴, Комбарова Е.Ю.⁵

¹ORCID: 0000-0002-0452-9708, кандидат технических наук, ^2,3,4,5 бакалавр техники и технологии, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

НЕКОТОРЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СУШКИ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ ПРОДУКТОВ НА ТВЕРДЫХ ПОДЛОЖКАХ

Аннотация

Приведены результаты исследования кинетики конвективной сушки промышленных и модельных жидких дисперсных продуктов на твердых подложках. Дано описание некоторых свойств исследованных продуктов. Приведены данные по условиям проведения экспериментов. Дано описание использованных в работе подложек Представлен сравнительный  анализ поведения кинетических кривых для выбранных продуктов при жестких режимах сушки. Показано, что наличие явлений структурообразования оказывает определяющую роль в процессе формирования кинетических кривых сушки.

Ключевые слова: сушка, подложка, кинетика, дисперсная система, температурная площадка, режим.

Pakhomov A.N.¹, Vasenina S.V.², Biryukova I.A.³, Pozdnysheva I.G.⁴, Kombarova E.Yu.⁵

¹ORCID: 0000-0002-0452-9708, PhD in Engineering, ^2,3,4,5 Bachelor of Engineering and Technology, FSBEI of HE “Tambov State Technical University”

SOME KINETIC FEATURES OF LIQUID DISPERSION PRODUCTS DRYING ON SOLID SUBSTRATES

Abstract

The results of a study of the kinetics of convective drying of industrial and model liquid disperse products on solid substrates are presented. Some properties of the products are described. Data on the experimental conditions are given. A description of the substrates used in the work is given. A comparative analysis of the behavior of kinetic curves for selected products under severe drying conditions is presented. It is shown that the presence of the phenomena of structure formation has a decisive role in the formation of kinetic drying curves.

Keywords: drying, substrate, kinetics, disperse system, temperature platform, regime.

Сушка дисперсных систем на основе жидкостей, таких как суспензии, эмульсии, пастообразные материалы, растворы неорганических и органических продуктов на подложках различного вида является один из распространенных промышленных способов сушки и термообработки, в производстве как полупродуктов, так и индивидуальных продуктов. Основными примерами применения подобных процессов являются:

- сушка и грануляция кормовых продуктов и органических удобрений (в этом случае, как правило, высушиваемый материал удерживается на поверхности растущей гранулы);

- сушка красителей и пигментов на инертных телах;

- сушка красок, лаков, клеев на резиновых и полимерных основах;

- сушка тонких слоев пигментов на лентах и/или барабанах;

- процессы получения специальных декоративных покрытий и т.п. [1, C. 23].

На практике для таких сушилок при инженерном проектировании выполняются только балансные расчеты. Режим и время обработки подбираются экспериментальным путем. Иногда удается использовать простейшие аппроксимации для скорости сушки. Более полные расчеты выполняются только в научных работах. Таким образом, в лучшем случае при проектировании рассматривается только кинетика убыли влаги [2, C. 633], [4, C. 282].

В тоже время качество материалов и режим обработки определяются не столько скоростью сушки, сколько изменением температуры в первую очередь, но совместно с влагосодержанием. Это связано с температурно-влажностной зависимостью физико-химических и структурно-реологических превращений [3, C. 620]; [9. С. 92]. Это, например, химические реакции, надмолекулярные превращения, поверхностные явления, структурообразование, усадка, пузыри [10, C. 78]. Зависимость их от температуры обычно экспоненциальная (характерная для вида уравнения Аррениуса) или степенная. Даже сам влагоперенос, миграция и конечное (равновесное или квазиравновесное) влагосодержание в основном определяются температурной кривой [5, C. 95].

Для исследования механизма и кинетики процесса сушки необходимо учитывать вид, свойства и начальную температуру твердых подложек, на которых будет производиться высушивание промышленных и модельных дисперсных продуктов. Для экспериментального исследования необходимо выбирать диффузионно-проницаемые (пористые или/и набухающие) и непроницаемые материалы; редкие несорбирующие сетки, которые не препятствуют испарению жидкости; высоко- и низкотеплопроводные материалы  (l, a_disp  >>, @, << l, a_subst ); холодные и горячие подложки (T_нач >, @, < T_среды ) [9, C. 91].

Для исследования кинетики сушки жидких дисперсных продуктов нами в  экспериментах использовались следующие подложки:

1) пластины из малотеплопроводного материала - фторопласта, размерами 45х35х2 мм (т.н. “малые образцы”) и 120х35х2 мм (т.н. “большие образцы”) с бортиками по краям высотой 0.8 мм для удержания высушиваемого состава [10, C. 71].

2) пластины из высокотеплопроводного материала - алюминия, тех же конструкций и размеров

3) сетки из капрона (т.н. “сеточные образцы”) на проволочных рамках аналогичных «малым» и «большим» образцам видов и размеров (толщина сетки 0.25мм, диаметр нити 0.16 мм, размер ячейки 0.32х0.32мм);

Исходный состав наносился на сплошную подложку при температуре 20 ^оС (т.н. “холодная” подложка) или на подложку, предварительно нагретую до температуры воздуха в сушилке (т.н. “горячие” подложки). Такие подложки (мало- и высокотеплопроводные, холодные и горячие) имитируют основные возможные варианты промышленных процессов [6, C. 46].

После сушки образец охлаждали и производили опыт с чистым нагревом образца в тех же условиях. Отсюда определяли коэффициенты теплоотдачи для “сухого” нагрева (имитация конечной стадии сушки).

При сушке составов на подложках из сетки влиянием материала подложки на испарение влаги приближенно можно пренебречь. В экспериментах на сеточных подложках определялись коэффициенты теплоотдачи при “чистом” испарении (имитация 1-го периода сушки). Дополнительную проверку проводили по результатам экспериментов с сушкой на монолитных (сплошных) подложках.

Экспериментальные исследования проводились на большой циркуляционной сушилке. Воздушный циркуляционный контур сушилки имеет размеры 240х240 мм. Температура сушильного агента варьировались от 40 до 160 ⁰С. Скорость сушильного агента в канале варьировалась от 2 до 10 м/с.

Для исследования механизма и кинетики сушки были выбраны системы, имеющие сильно различающиеся значения физико-химических свойств и представляющие реальные промышленные дисперсные продукты,  модельные дисперсные системы на основе воды и водные растворы неорганических и органических веществ [7, C. 3]:

1) Дисперсные системы получаемые в производстве (мясное и зерновое производство):

– мясокостная жидкость, около 8-12 кг. тв./кг. влажн. мат-ла. Представляет собой маловязкую жидкость темно-серого цвета. По данным анализа пищевой ценности содержит 30% жира, 25% белка.

– кукурузная жидкость, около 50 кг. тв./кг. влажн. мат-ла. Представляет собой пасту желтого цвета с характерным запахом. По данным анализа пищевой ценности содержит 50-55% белка, 20-30% молочной кислоты, 5-15%  сахаров.

2) Модельные дисперсные системы:

– Коллоид желатина около 10 кг. тв./кг. влажн. мат-ла.

– Тонкая суспензия крахмала около 50 кг. тв./кг. влажн. мат-ла.

3) Водные растворы неорганических и органических веществ:

–  раствор хлорида натрия близкий к насыщенному 20 кг. тв./кг. влажн. мат-ла.

– раствор сахара, 50 кг. тв./кг. влажн. мат-ла.

На рис. 1 представлены кривые сушки и температурные кривые для всех рассмотренных дисперсных продуктов при жестком режиме сушке: 160 ^оС и 5м/с. По оси ординат отложены: справа - температура образца в процессе сушки, ^оС;  слева - разность начальной и текущей массы образца g=(g _{начальн.} -  g _текущ.) и конечной массы сухого образца g_р, в граммах (в этом случае влажность образца можно считать практически близкой к равновесию, т.е. (g_текущ. -  g_{конечн.}) » (g - g_р)).

Жесткий режим сушки для термолабильных продуктов можно реализовать в промышленности только ограниченно - при очень быстрой сушке в тонких слоях, однако он позволяет выявить основные кинетические особенности сушки и нагрева, необходимые для моделирования в широком диапазоне температур.

Рис. 1 – Кинетические кривые конвективной сушки исследованных продуктов на подложке (Условия эксперимента: Т = 160 ^оС, w = 5 м/с, подложка – фторопласт d= 2мм.)

 

Для материалов склонных к структурообразованию на поверхности в  процессе сушки (желатин, соль, сахар) эксперименты производились до так называемого квазиравновесного состояния, когда убыль влаги в эксперименте практически прекращалась (за время большее времени прогрева образца до температуры сушильного агента) [8, C. 410].

Как видно из приведенных кинетических кривых, время сушки и прогрева дисперсных продуктов одного порядка, то есть температурная и влажностная кинетика равноценны.

Необходимо отметить наличие участка постоянной скорости сушки для всех исследованных продуктов на выбранном режиме. Ярко выраженная температурная площадка близкая к температуре мокрого термометра (которая определяет 1-ый период сушки) наблюдается, однако, только для мясо-костной жидкости. Для остальных материалов первый период характеризуется наличием N=const,  но без выраженной или при отсутствии температурной площадки близкой к температуре мокрого термометра.

Для желатина, температурная площадка хорошо проработана, но она постоянно растет во времени. Для крахмала и соли температурная площадка практически вырождается и наблюдается только перегиб. Для кукурузной жидкости температурная площадка вообще не наблюдается.

Вторая ярко выраженная температурная площадка наблюдается только для соли и сахара. Обе температурные площадки наблюдаются для желатина. Ни одной ярко выраженной температурной площадки не наблюдается для крахмала.

Как следует из анализа приведенных кинетических кривых наибольшее влияние на характер кинетических кривых и значения кинетических характеристик оказывает выраженность явлений структурообразования. Чем сильнее проявляется структурообразование в процессе сушки, тем сильнее деформация кинетических кривых, в особенности термограмм сушки. Соответственно, анализ получаемых термограмм может предоставить информацию о характере физико-химических и структурно-реологических превращений в материале при его сушке и определить степень влияния режима сушки на качество высушиваемых материалов.

Список литературы / References

1. Пахомов А.Н. Сушка капель жидких дисперсных продуктов/ А.Н. Пахомов, Ю.В. Пахомова// М.: Издательство «Перо», 2013. – 122с.
2. Пахомов А.Н. Возможности самоорганизации дисперсных систем при сушке на подложке / А.Н. Пахомов, Ю.В. Пахомова, Е.А. Ильин // Вестник Тамбовского государственного технического университета . – 2012 . – Т. 18, №3 . – С.633 – 637.
3. Пахомов А.Н. Типы кинетических кривых, получаемых при сушке капель жидких дисперсных продуктов/А.Н. Пахомов, Ю.В. Пахомова// Химическая технология . – 2014 . – №10 . – С. 620-623.
4. Пахомов А.Н. К расчету кинетики нагрева и сушки многослойных дисперсных продуктов на подложках/А.Н. Пахомов, Н.Ц. Гатапова, Ю.В. Пахомова//Вестник Тамбовского государственного технического университета. –2015. – Т. 21. № 2. – С. 279-288.
5. Пахомов А.Н. Кинетика сушки дисперсий на твердых подложках : дис. … канд. тех. наук : 05.17.08 : защищена 22.12.2000: утв. 16.03.01 / Пахомов Андрей Николаевич. – Тамбов, ТГТУ., 2000. – 225 с.
6. Пахомова Ю.В. Кинетика сушки капель жидких дисперсий на диффузионно-непроницаемых подложках: дис. ... канд. тех. наук: 05.17.08: защищена 23.12.2011 : утв. 23.12.2012 /Пахомова Юлия Владимировна. – Тамбов, ТГТУ., 2011. –283 с.
7. Пахомов А.Н. Интенсификация процесса сушки жидкой послеспиртовой барды в аппарате с кипящим слоем инертных тел / А.Н. Пахомов, Н.С. Сорокина, А.В. Баландина // Инженерный вестник Дона . – 2014 . – № 4-1 . – С. 79-83.
8. Пахомова Ю.В. Оценка качества готового продукта при сушке жидких дисперсных веществ / Ю.В. Пахомова, В.И.Коновалов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2011. – № 2(33). – С. 407–412.
9. Пахомов А.Н. Некоторые особенности сушки пастообразных материалов на подложках/А.Н. Пахомов, Ю.В.Пахомова, Е.А. Хатунцева, В.А. Елизарова//Инженерный вестник Дона . – 2015 . – Т. 36. № 2-2 . – С. 91-94.
10. Пахомова Ю.В. Особенности механизма и кинетики сушки капель дисперсий (на примере сушки послеспиртовой барды)/Ю.В. Пахомова, В.И. Коновалов, А.Н. Пахомов//Вестник Тамбовского государственного технического университета . – 2011 . – Т. 17. № 1 . – С. 70-82.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Pakhomov A.N. Sushka kapel' zhidkikh dispersnykh produktov [Drying drops of liquid dispersed products]/ A.N. Pakhomov, Yu.V. Pakhomova// M.: Izdatel'stvo «Pero». 2013. – 122 P. [in Russian]
2. Pakhomov A.N. Vozmozhnosti samoorganizacii dispersnyh sistem pri sushke na podlozhke [The possibility of self-organization of particle systems in drying on a substrate]/A.N. Pakhomov, Ju.V. Pakhomova, E.A. Ilin// Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of Tambov state technical University]. – 2012. – V. 18, №3. – P. 633 – 637. [in Russian]
3. Pakhomov A.N. Tipy kineticheskih krivyh, poluchaemyh pri sushke kapel' zhidkih dispersnyh produktov [Types of kinetic curves, obtained by drying droplets of liquid dispersed products]/A.N. Pakhomov, Ju.V. Pakhomova// Himicheskaja tehnologija [Chemical engineering]. – 2014. – №10. –  P. 620-623. [in Russian]
4. Pakhomov A.N. K raschetu kinetiki nagreva i sushki mnogoslojnyh dispersnyh produktov na podlozhkah [To calculate the kinetics of heating and drying the dispersed layered products on substrates]/A.N. Pahomov, N.Z. Gatapova, Ju.V. Pakhomova // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of Tambov state technical University]. – 2015. – V. 21, №2. – P. 279 – 288. [in Russian]
5. Pakhomov A.N. Kinetika sushki dispersiy na tverdykh podlozhkakh [The kinetics of drying of the dispersions on solid substrates]: dis. … of PhD in Engineering: 05.17.08: defense of the thesis 22.12.01 : approved 16.03.01/Pakhomov Andrey Nikolaevich. – Tambov: TambGTU, 2000. –225 P. [in Russian]
6. Pakhomova Ju.V. Kinetika sushki kapel' zhidkih dispersij na diffuzionno-nepronicaemyh podlozhkah [The kinetics of drying drops of liquid dispersions on the diffusion-impermeable substrates]: dis. ... of PhD in Engineering: 05.17.08: defense of the thesis: 23.12.11: approved 23.12.12/Pakhomova Julija Vladimirovna. – Tambov: TambGTU, 2011. – 283 P. [in Russian]
7. Pakhomov A.N. Intensifikacija processa sushki zhidkoj poslespirtovoj bardy v apparate s kipjashhim sloem inertnyh tel [Intensification of drying process of liquid distillery stillage in the apparatus with fluidized bed of inert bodies] /A.N. Pakhomov, N.S. Sorokina, A.V. Balandina// Inženernyj vestnik Dona [Engineering Journal of Don] .­– 2014. – №. 4-1. – P. 79-83 [in Russian]
8. Pakhomova Ju.V. Ocenka kachestva gotovogo produkta pri sushke zhidkih dispersnyh veshhestv [Assessment of the quality of the finished product when drying liquid substances dispersed]/Ju.V. Pakhomova, V.I. Konovalov// Voprosy sovremennoj nauki i praktiki. Universitet im. V.I. Vernadskogo [Questions modern science and practice. University. V. I. Vernadsky]. – 2011. – № 2(33) . – P. 407–412. [in Russian]
9. Pakhomov A.N. Nekotorye osobennosti sushki pastoobraznyh materialov na podlozhkah [Some features of drying pasty materials on substrates]/A.N. Pakhomov, Ju.V. Pakhomova, E.A. Hatunceva, V.A. Elizarova // Inženernyj vestnik Dona [Engineering Journal of Don] .­– 2015. – №. 2-2. – P. 91-94 [in Russian]
10. Pakhomova Ju.V. Osobennosti mehanizma i kinetiki sushki kapel' dispersij (na primere sushki poslespirtovoj bardy [Features of the mechanism and kinetics of drying drops of the dispersions (for example, the drying of DDGS)]/ Ju.V. Pakhomova, V.I. Konovalov, A.N. Pahomov// Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of Tambov state technical University]. – 2011. – V. 17, №1. – P. 70 – 82. [in Russian]