Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda Seminar 8. · K-koeficijent prolaza topline...

Proračun sustava za sušenje biomaterijala

Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda

Seminar 8.

You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com/

Zadatak:

Treba izabrati sustav za sušenje biomaterijala.

Izabrani sušionik treba osigurati proizvodnju od 378 t suhog materijala u jednoj godini (sušionik radi 300 dana godišnje)

Karakteristike biomaterijala:

početna vlaga materija je X0= 60%,

konačna vlaga X1= 1%

specifična masa vlažnog materijal je 1250 kg/m3.



Čimbenici mjerodavni za izbor tipa sušionika

• Stanje biomaterijala-pasta• Kapljevina koju treba odjeliti-voda• Maksimalna dopuštena temperatura materijala na sušenju-

100 0C<• Količina vlage u materijalu nakon sušenja-1% računato na

ukupnu masu• Vrijeme sušenja-polagano sušenje nije dopušteno• Miješanje- otežano zbog lijepljenja materijala za miješalo• Biomaterijal osjetljiv na oksidaciju• Kapcitet proizvodnje 1,25 t/dan

Na osnovi faktora mjerodavnih za izbor tipa sušionika

Izabiremo vakuum-sušionik.



Slika 1. Vakuum-sušionik



Proračun vakuum sušionika- mora se zasnivati na kinetici procesa sušenja biomaterijala (mjeriti u laboratoriju)

9 h sušenje 1 h zagrijavanje X-udio (masa)

vlage u biomaterijalu

X1Slika 2. Grafički prikaz brzine sušenja.



Izračun kapaciteta sušionika

Sušenje traje 9 h

Vrijeme za postizanje ustaljenog stanja (zagrijavanja, inicijalni period) je 1 h

Vrijeme punjenja i pražnjenja traje 1 h

Ukupno vrijeme trajanja jednog perioda je 11h stoga je dnevno moguće izvršiti 2 ciklusa sušenja.

Prema tome kapacitete sušionika po jednoj šarži je :

378000 kg/ 300·2=630 kg (suhog materijala)

(radi se 300 dana godišnje)



Izračun broja okvira za sušenje biomaterijala

Debljina sloja biomaterijala je 40 mm

Dimenzije okvira za sušenje (pravokutnog oblika) su 0,37 (širina)×1,2(dužina) ×0,055 (visina) m jedan okvir može primiti:

0,04 · 0,37·1,2 ·1250 =22,2 kg biomaterijala s početnom vlagom 60%

Volumen sloja Gustoća

Potreban broj okvira u sušioniku je:

630 / 22,2 ·0,4=71 komad



Izračunatom broju okvira s navedenim dimenzijama odgovara vakuum sušionik iz kataloga procesne opreme:

-pravokutnog oblika

-broj polica 72

-masa bez polica 11000 kg

Kapacitet sušionika izračunat s specifikacijama iz kataloga procesne opreme

Gpoč= 72·22,2kg=1600 kg vlažnog materijala

ili

1600 · 0,40=640 kg suhe tvari



Materijlna bilanca:

Masa vode koju treba ispariti u jednom pogonskom periodu (prema zadanim sadržajima vlage):

kgw 954)1100601001(1600

Masa osušenog biomaterijala:

Gsuh=Gmok-w=1600-954=646kg

)1001001(

1

0

XXGw poč



Oblik krivulje sušenja ukazuje na odvijanje procesa sušenja u dvije faze (fazu konstantne brzine sušenja i fazu opadajuće brzine sušenja) stoga i cjelokupni proračun treba podjeliti u dva dijela.

Kritična vlažnost je 48% (iz krivulje brzine sušenja)

Dakle materijalnu bilancu možemo postaviti odvojeno za prvu i drugu fazu

Prva faza:

kgw 368)48100601001(16001

tj. u prvoj fazi sušenja mora se odjeliti 368 kg vode

Druga faza:

w2=w - w1= 954-368=586 kg

48%



Toplinska bilanca:

Utrošak topline sušionika tijekom procesa sušenja dobiva se iz jednadžbe: Q = m c Δt

Q = W · r hkcaltAKQ /

K- koeficijent prolaza topline s bridova sušionika na oklolni zrakA- površina Δt- temperaturna razlika

Potrebno izračunati utrošak topline po satu Q za svaku fazu zasebno.

Da bi se izračunao utrošak topline potrebno je izračunati trajanje pojedinih faza procesa sušenja (τ1, τ2).



Trajanje sušenja u prvoj fazi (τ1) može se izračunati na osnovi podataka o kritičnoj vlažnosti i brzini sušenja u prvoj fazi.

U prvoj fazi se ispari iz 100 g materijala sljedeća masa vode:

g23100)52401(

Iz krivulje brzine sušenja (slika 2.) brzina sušenja je u prvoj fazi 0,768 g/cm2 h. To odgovara:

Ako je sloj matrijala debljine 4 cm, 100 g materijala ima površinu:

220425,1

100 cm

1,25- specifična masa vlažnog biomaterijala [g/cm3]

Stoga je:

hcm

hcmg

g 5,120768,0

232

2

1



Sušenje traje 9 h stoga je vrijem trajanja druge faze sušenja

τ2 = 9 - 1,5 = 7,5 h

Slijedi:

-vrijeme zagrijavanja 1,0h

-vrijeme trajanja prve faze 1,5 h

- vrijeme trajanja druge faze 7,5 h



Nakon što su izračunata vremena trajanja pojedinih faza procesa sušenja postavljaju se toplinske bilance za svaku fazu zasebno

1. Utrošak topline za zagrijavanje

• Utroška topline za grijanje sušionika (uređaja)

• Utrošak topline za zagrijavanje materijala

• Utrošak topline za zagrijavanje izolacije

2. Utrošak topline za sušenje

• faza konstantne brzine sušenja i

• faza opadajuće brzine sušenja



Poznate su sljedeće vrijednosti:

-temperatura materijala na ulazu u sušionik 54oC

-Temperatura pare za zagrijavanje 110oC

-Tlak pare 1,5 atm

-Temperatura okolnog zraka 15oC

-Ostvareni vakuum tijekom procesa sušenja 0,15 atm



1. Utrošak topline za zagrijavanje

Utroška topline za grijanje sušionika (uređaja) (Quređ)

Količina topline izračunava se iz formule:

Quređ = muređ·cuređ (tuređ - tokol)

Masa sušionika približno je 11000 kg. Debljina lima okvira za sušenje je 0.8 mm, svari će okvir težiti oko 3 kg;

Dakle ukupna težina zajedno s okvirima je 11220kg.

Sušionik se mora zagrijati na 60oC;

tokol = 15oC

Specifična toplina ljevanog željeza c = 0,115kcal/kgoC

Slijedi:

Quređ = 11220 ·0,115 (60 - 15) = 58000 kcal



Utrošak topline za zagrijavanje materijala (Qmat)

Qmat = mmat·cmat (tmat - tokol)

Određeno je:

mmat = 1600 kg; tmat = 54 oC; tokol = 15 oC

Specifična toplina biomaterijala može se izračunati iz elementarne analize materijala, ako se suši biomas kvasca (C9.09H16.54O4.97N) Atomske specifične topline elemenata:

C=1,8; H=2,3; O=4,0; N=6,2 kcal/kgoC

Ckgkcalc o/368,05,218

484,805,219

2.6197,40,454,163,209,98,1

Mcncncnc ...332211



Stoga je:

cmat= 0,40·0,368+0,6 ·1 = 0,747

Slijedi:

Qmat = 1600 · 0,747 (54 -15) = 46612 kcal



Utrošak topline za zagrijavanje izolacije (Qizo)

Sušionik je uzoliran slojem azbesta i kremene zemlje debljine 65 mm;

Masa izolacije je mizo = 885 kg

Specifična toplina izolacije je cizo = 0,22 kcal/kg oC

Srednja temperatura izolacije je tizo = 43 oC

Slijedi:

Qizo = 885· 0,22 (43 -15) = 5450 kcal

hkcal /1100620,1

110062

Dobivamo:

Qzagr = Quređ + Qmat + Qizol = 58000 + 46612 + 5450 = 110062 kcal

Zagrijavanje traje 1 h stoga je utrošak topline za zagrijavanje



2. Utrošak topline za sušenje

1.U prvo fazi (konstantna brzina sušenja) (Q1)

2.U drugoj fazi (faza opadajuće brzine sušenja) (Q2)

Qsuš= Q1 + Q2

1.Izračunavanje utroška topline u prvoj fazi procesa sušenja (Q1)

Q1= Qisp + Qgub

a) Utrošak topline za isparavanje vode (Qisp)

b) Utrošak topline za pokriće gubitaka (Qgub)



a) Utrošak topline za isparavanje vode (Qisp)

Iz materijalne bilance izračunato je da se tijekom prve faze koja traje 1,5 h ispari 368 kg vode.

Slijedi:

Toplina isparavanja pri tlaku 0,15 atm i temperaturi 54 oC je:

r = 566 kcal/kg (tablični podatak)

Stoga je utrošak topline:

Qisp = W · r = 245 · 566 = 138600 kcal/h

hkgW /2455,1

368



b) Utrošak topline za pokriće gubitaka (Qgub)

Toplina potrebna za pokriće gubitaka izračunava se prema jednadžbi:

Qgub = K · Avanjski · Δt

Pri čemu je:K- koeficijent prolaza topline s bridova sušionika na oklolni zrakAvanjski- vanjska površina sušionika (30 m2)Δt- temperaturna razlika između unutrašnjosti sušionika i okolnog zraka



Da bi izračunali koeficijent prolaza topline potrebno je poznavati:

-Koeficijent prelaza topline kondezirajućih para iz smjese para-plin

α1 = 300 kcal/m2 h oC

-Debljinu stijenke sušionice

δ1 = 0,025 m

-Toplinsku vodljiviost ljevanog željeza

λ1 = 35 kcal/m h oC

-debljinu izolacije

δ2 = 0,065 m

-Toplinsku vodljiviost izolacije

λ2 = 0,19 kcal/m h oC

-koeficijent zračenja

αzrač = 4,68 kcal/m2 h oC

-koeficijent konvekcije

αkonv = 3,69 kcal/m2 h oC

α1 λ1 λ2 αzrač αkonv

δ1 δ2



Stoga je koeficijent prolaza topline s bridova sušionika na oklolni zrak (K)

ChmkcalK o2/17,2

69,368,41

19,0065,0

35025,0

3001

1

Qgub = K · Fvanjski · Δt = 2,17 · 30·(54-15) = 2540 kcal/h

Utrošak topline u prvoj fazi procesa sušenja:

Q1 = Qisp + Qgub = 138600 + 2540 = 141140 kcal/h



2. Izračunavanje srednjeg utroška topline u drugoj fazi procesa sušenja (Q2)

Utrošak topline u drugoj fazi sušenja izračunava se an isti način kao u prvoj fazi:

Q2= Qisp + Qgub

Iz materijalne bilance izračunato je da se tijekom druge faze koja traje 7,5 h ispari 586 kg vode.

Slijedi:

Toplina isparavanja pri tlaku 0,15 atm je r = 566 kcal/kg

Stoga je utrošak topline:

Qisp = W · r = 78,2· 566 = 44300 kcal/h

Već prije su izračunati gubici topline (Qgub = 2540 kcal/h)

hkgW /2,785,7

586



Prema tome u drugoj fazi sušenja utrošeno je:

Q2= Qisp + Qgub = 44300 + 2540 = 46840 kcal/h

Iz dosada izračunatog slijedi da je utrošak topline po satu maksimalan u prvoj fazi sušenja biomase kvasca tj

Qmaks= 141140 kcal/h



Iz toplinske bilance ukupni utrošak topline je:

Qzagr= Quređ + Qmat + Qizol = 58000 + 46612 + 5450 = 110062kcal

Qsuše= Q1 + Q2 + Qizol = 138600·1,5 + 44300 ·7,5 = 540000kcal

Qzagr + Qsuše=110062+540000=650062kcal



Potrebna masa zasićene vodene pare (tlak=1,5 atm, temp.=110 oC) za grijanje tijekom jednog pogonskog perioda je

kgkcal 1219 kcal/kg533

650056

Toplina isparavanja vodene pare pri 110 oC je 533 kcal/kg (tablični podatak)

Gubitak topline kondenzata:

1219 kg · 110 kcal/kg = 134157 kcalEntalpija kondenzata vodene pare pri 110 oC je 110 kcal/kg (tablični podatak)

Qukupno= 650062kcal + 134157 kcal = 784219 kcal



U jednom pogonskom periodu ispari se 954 kg vode, stoga je specifični utrošak topline na isparavanje vode:

vodekgisparenekgpared /27,1954

1219

Srednji utrošak pare po satu je:

hkgD /12210

1219

Maksimalni utrošak pare u prvoj fazi sušenja je:

hkgkgkcal

hkcalD /266/533

/141140max

Cjevovod za dovod pare za grijanje mora biti projektiran za protok od 266 kg/h.



Na osnovi toplinske bilance izračunavamo efikasnost procesa sušenja:

%73784219

100)1554(1954540000100)(

ukup

ugrijvodesuše

QQQ

E



Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda Seminar 8. · K-koeficijent prolaza topline...

Documents

Transcript of Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda Seminar 8. · K-koeficijent prolaza topline...