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)
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.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Slika 1. Vakuum-sušionik
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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%
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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).
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Stoga je:
cmat= 0,40·0,368+0,6 ·1 = 0,747
Slijedi:
Qmat = 1600 · 0,747 (54 -15) = 46612 kcal
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Na osnovi toplinske bilance izračunavamo efikasnost procesa sušenja:
%73784219
100)1554(1954540000100)(
ukup
ugrijvodesuše
QQQ
E
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)