What is the conversion factor for the pelletizer? - ИРБИСТЕХ

The main function of dry ice granulator is transformating liquid CO2 into the pellets of dry ice. Let’s study this procees more detailed with splitting into stages.  

Storage and feeding liquid CO2 to the granulator

As we know, the liquid CO2 always stored in the tank with exact pressure. Recomended storage pressure of the liquid CO2 for the ontimal granulator work is from 16 to 18 atm. The lower pressure is used in the tank, the lower is the temperature of liquid CO2. Traditionally, the fittings of the liquid CO2 delivery tank are connected to the granulator through strong and flexible hydraulic hoses or through welded steel pipelines. For the more effective granulator work, it is recommended to fix the collector-separator-filter over it, where the CO2 gases are removed and liquid CO2 is filtered from microscopic solid parts. 

Liquid CO2 throttling

Throttling is the adiabatic expansion of a liquid in an open system under stationary flow conditions without performing external work and increasing the speed on the control surface.
 
Arkharov A. M., “Cryogenic system. Volume 1. Fundamentals of theory and calculation”

In the case of granulators, the control surface is a valve or nozzle for supplying liquid CO2 to the pressing chamber, through which the liquid CO2 loses pressure below the pressure of the triple point of CO2 (5.12 ATM) and thereby turns into a two-phase mixture (in gaseous CO2 and dry ice chips).

The proportion of the mixture (gas: snow) has a constant value for each pressure level (16-18 ATM), regardless of the location of the granulator on the globe. Thus, the basic conversion rate from liquid to snow is always the same for all granulators.

The figure on the right shows a TS diagram for understanding the pellet production method. Point A1 is located on the saturation line a1-a2 and characterizes the state of carbon dioxide in the liquid aggregate state (L) when stored in a tank at a pressure of 1.8 MPa (selected for example), line A1-A2 shows the process of a sharp drop in the pressure of liquid carbon dioxide (L) from point A1 to point A2, where point A2 shows the thermodynamic equilibrium of a mixture of solid carbon dioxide (S) (point A3) and gaseous carbon dioxide (G) (point A4), based on this, the proportion of solid carbon dioxide obtained is equal to the result of dividing the length of the segment A2-A4 by the length of the segment A3-A4 and is approximately 0.51 (51%).

Your Diagram TitleВпрыск жид. СО2 → Газ. СО2 (через фильтр): 50%Впрыск жид. СО2 → Снег СО2 в камере: 50%Впрыск жид. СО2: 100%Впрыск жид. СО2: 100%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Снег СО2 в камере: 50%Снег СО2 в камере: 50%
Your Diagram TitleВпрыск жид. СО2 → Газ. СО2 (через фильтр): 50%Впрыск жид. СО2 → Снег СО2 в камере: 50%Впрыск жид. СО2: 100%Впрыск жид. СО2: 100%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Снег СО2 в камере: 50%Снег СО2 в камере: 50%

Filtration of a two-phase mixture

When liquid CO2 is injected into the compression chamber, liquid CO2 is partially converted (for example, by 50%, taken for simple perception) into gaseous CO2 and by 50% into dry ice snow.

Technical information:

  •  
  • The density of liquid CO2 at 16 ATM: 1060 kg/m3;
  • Density of cold CO2 gas at 1 ATM: 2.5 kg / m3;
  • Dry ice particle density: 1600 kg / m3 (approx.);

Half of the liquid CO2 stream turns into gaseous CO2, which is accompanied by a 424-fold increase in the volume of this half of the stream (1060/2,5). As a result, a complex vortex flow of a two-phase mixture forms in the pressing chamber. The task of the filter is to keep the dry ice snow in the pressing chamber as much as possible.

The sources of waste

The heat from the extrusion

During the extrucion procces, the surfaces of matrices and chambers contacted with extruded material are subjected to significant local heating.

The processes of evaporation of granules when they are released into atmospheric conditions are presented below. Since ice is pressed under high pressure, the heat that it received from friction does not immediately pass into steam, but is kept under pressure in the chamber. After exiting, the pressure around the ice becomes atmospheric and evaporation occurs.

Тепло от гидросистемы

Теплоприток от гидравлического масла через поршень прессования, шпильки, каркас, конвекцию внутри оболочки каркаса. Обычно температура при работе гидроцилиндра, как правило, + 80°C, в экстремальных условиях она достигает +110 °C. Это происходит в результате потерь, часть электрической энергии (10-15%) в гидроприводе с КПД 85-90% преобразуется в тепло. Часть этого тепло отводится через систему охлаждения, но часть поступает в камеру прессования.

Трение при уплотнении

На данном участке снег сухого льда уплотняется и его трение о стенки камеры прессования незначительно.

Трение от прессования пульпы

Уплотненный снег до степени стекловидной формы под давлением 160-220 атм приобретает вязкое состояние и начинает давить на боковые стенки камеры прессования. Данное трение является одним из самых высоких за цикл производства сухого льда.

Трение о матрицу и от внутренней деформации пульпы в гранулы

При прохождении льда через матрицу создается еще одно усилие, необходимое для преодоления сопротивления деформации. При выходе "перегретый" лед начинает мгновенно испаряться до наступления равновесного состояния.

Пример расчета

К примеру, для расчета потерь при работе гидравлического гранулятора с производительностью Gгр=120 кг/час и мощностью N=10 кВт, необходимо взять КПД в 87% (примерно), и получим мощность (8,7 кВт) на плунжере в камере прессования. 

К примеру базовый коэффициент конвертации составляет 2.0, то есть соотношение массы твердой фазы и газообразной фазы составляет 50/50, то есть на 1 кг снега необходимо затратить 2 кг жидкости. 

Замерьте время процесса экструзии, с момента увеличения шумности работы гидроузла до остановки выхода гранул из матрицы, и время одного общего цикла. Для традиционной машины эти показатели примерно равны 6 и 24 секунды соответственно, то есть 25% от всего времени работы машин (также стоит прибавить примерно 5% для процесса спрессовывания снега сухого льда) – это доля времени плунжера, когда вся мощность гидроузла уходит на преодоление трения в камере прессования и матрицы с отверстиями. Тепловыделения от трения:

Qтр=N • 87% • 30% = 2,6 кВт.

Эффективность отвода за пределы гранулятора тепла от гидросистемы примем в 50% (грубо). Тепловой поток от гидроузла к камере прессования:

Qг=N • (100% – 87%) • 50% = 0,6 кВт.

Общий теплоприток к сухому льда в процессе его производства составляет Q=3,2 кВт.

Так как удельная теплота сублимации сухого льда составляет примерно k=590 000 Дж/кг, то потери сухого льда составят:

Gпот = Q / k= 0,0054 кг/с = 19,5 кг/час

Рассчитаем фактический расход жидкости:

Gж = (Gгр+Gпот )/0,5=279 кг/час

Итоговый коэффициент конвертации с учетом реальной производительности и фактического расхода жидкости:

x= Gж/Gгр=279 / 120 = 2,3

Таким образом используя такой гидравлический гранулятор эксплуататор в течение года (2000 рабочих часов) теряет сухого льда массой:

Gпот • 2000 ч = 19,5 кг/час *2000 ч= 39 000 кг

и расходует электричество в объеме

N • 2000 ч = 20 000 кВт•ч

Методы Улучшения

Нагрев жидкости выхлопным газом

Приведем основные физические параметры веществ:

Жидкий СО2 при 16 атм:

  • Температура до теплообменника [Tж]: -26 С;
  • Температура после теплообменика [Tк]: неизвестно;
  • Теплоемкость [Cж]: 2100 Дж/кг*С;

Газ СО2 при 1 атм:

  • Температура после камеры прессования (до теплообменика) [Tг]: -78 С;
  • Температура после теплообменика [Tк]: неизвестно;
  • Теплоемкость [Сг]: 778 Дж/кг*С;

Сухой лед при 1 атм:

  • Температура: -78 С;
  • Удельная теплота сублимации [k]: 590 000 Дж/кг;

Глядя на выше приведенные значения температур, логично решить данную проблему установкой теплообменного аппарата, задача которого будет передача холода отходящего потока газообразного СО2 жидкому СО2. Этим можно добиться повышения выхода снега при следующем впрыске уже охлажденного жидкого СО2. Примем допущение, что теплообмен выполняется на 100%, то есть жидкий СО2 охлаждается до температуры Тк, а газ нагревается до температуры Тк. Также примем массовый поток жидкого СО2 за единицу (1), а коэффициент конвертации 50/50, то есть массовый поток газа составить 0,5 единиц.

Составим уравнение сохранения тепловой энергии:

(Тк-Тж)•Сж•1+(Тк-Тг)•Сг•0,5=0

Подставим числа, без указания единиц измерения, так как все значения в системе СИ:

(Тк+26)•2100•1+(Тк+78)•778•0,5=0

Тк•2100+54 600+Тк•389+30342=0

Тк•2489+84942=0

Тк=-34,1 С

Теперь вычислим мощность холода, которая передается жидкому СО2 в теплообменнике для производительности по гранулам 100 кг/час (расход жидкого СО2 составит 200 кг/час = 0,0556 кг/с).

N=(-34,1[С] +26 [С]) • 0,0556 [кг/с] • 2100 [Дж/кг*С] = 934 Вт,

что в целом не большая мощность холода, у бытового кондиционера она и то больше.

Вычислим дополнительный выход гранул. Самый простой способ это представить, что весь переданный холод идет на создание гранулы из паров СО2 (на десублимацию):

G= 934 [Вт] / 590 000 [Дж/кг] = 934 [Дж/с] / 590 000 [Дж/кг] = 0,00158 [кг/с] = 5,7 кг/час

Таким образом теплообменник теоретически максимум предоставляет гранулятору с производительностью 100 кг/час производить дополнительные 5,7 кг/час гранул.

Про модули PU20

Отсутствует трение при прессовании

За счет инновационной конструкции каждая гранула прессует почти без трения и при этом индивидуально., что позволяет сократить расходы на жидкий СО2.

Встроенный теплообменник

В модулях предусмотрен инновационный теплообменный аппарат, который за счет высокой интенсификации позволяет сократить расходы на жидкий СО2.

Энергонезависимая система прессования

В модулях предусмотрен инновационная система прессования гранул сухого льда, которая требует всего лишь 14 Вт.

Схема модулей грануляции

  • 1 – резервуар с жидким СО2;
  • 2 – камера прессования;
  • 3 – теплообменник;
  • 4 – клапан впрыска жидкого СО2;
  • 5 – плунжер прессования;
  • 6 – система фильтрации;
  • 7 – пневмопривод, работающий от газообразного СО2
  • G1 – рабочий газ СО2
  • G2 – рабочий газ СО2 после теплообменника;
  • G2` – рабочий газ СО2 после отработки;