Активность гидродинамического режима как фактор повышения эффективности процесса сушки во взвешенном слое Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.047-912

1 2 Б.С. Сажин, В.Б. Сажин, М.Б. Сажина

Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 2Российский государственный заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия

АКТИВНОСТЬ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СУШКИ ВО ВЗВЕШЕННОМ СЛОЕ

Показано, что активными являются только такие гидродинамические режимы, когда средствами гидродинамики достигается существенная интенсификация процесса при его экономичности и высоком качестве высушенного продукта. Поэтому один и тот же гидродинамический режим для разных случаев может быть как активным, так и неактивным в зависимости от технологической задачи и характеристики материала как объекта сушки. Основным критерием при этом может служить характеристика структуры пор в высушиваемом материале, определяющая диффузионное сопротивление при сушке и необходимое время обработки материала во взвешенном слое, достаточное для достижения требуемой остаточной влажности. В качестве основного показателя размеров пор материала предложен критический размер пор (наименьший диаметр пор, из которых по технологическим условиям надо удалять влагу), позволяющий оценить наибольшее в процессе сушки эффективное диффузионное сопротивление (то есть сложность технологической задачи и необходимое время обработки в условиях взвешенного слоя).

Обсужден метод сравнительной оценки активности гидродинамических режимов с использованием эксергетического анализа по величине эксергетических коэффициентов полезного действия, позволяющий объективно оценить конкурирующие разработки новых сушилок для одних и тех же материалов. Представлены результаты исследования и моделирования, так называемых, динамических неодно-родностей структур потоков, т.е. зон с различной степенью активизации гидродинамики.

Процессы сушки являются одними из наиболее распространенных технологических процессов, весьма энергозатратны и часто определяют потребительские свойства конечного продукта. Повышение их эффективности, включающей интенсивность, экономичность и качество продукции, имеет большое значение для экономики страны.

Активизация гидродинамического режима приводит к интенсификации тепло- и массообмена в процессе сушки. Однако, при этом возрастают затраты на дутьевые средства и нагрев теплоносителя. Если эти затраты превышают эффект от увеличения интенсивности процесса, то такой режим не может называться активным гидродинамическим режимом [1]. Начиная с 70-х годов прошлого столетия появились сотни и даже тысячи технических решений, авторы которых претендуют на разработку аппаратов с активными гидродинамическими режимами для сушки конкретных материалов. В действительности большинство из предложенных аппаратов нельзя отнести к сушилкам с активной гидродинамикой, потому что многие авторы отождествляют активную гидродинамику с режимами повышенных скоростей газовых потоков. Фактически к активным гидродинамическим режимам можно отнести только такие режимы, когда средствами гидродинамики достигается существенная интенсификация процесса при его экономичности и высоком качестве высушенного продукта [2]. Поэтому один и тот же гидродинамический режим для разных случаев может быть как активным, так и неак-

тивным в зависимости от технологической задачи и характеристики материала как объекта сушки [3].

В качестве примера можно взять две задачи по сушке дисперсных материалов. Первая - широкопористый материал с большим влагосодержанием. Можно показать, что активным гидродинамическим режимом здесь будет пневмотранспорт, обеспечивающий за счет больших скоростей газа достаточное количество тепла и в то же время - достаточное время обработки материала в аппарате (несколько секунд). Но этот режим не будет активным для второй задачи - сушки микропористых материалов с небольшой начальной влажностью, т.к. он, во-первых, не обеспечивает требуемого времени обработки материала (несколько минут) и во-вторых, количество теплоносителя (и следовательно и его скорость) избыточны для данного случая и большая часть тепла будет буквальным образом «выбрасываться» в трубу. Активным гидродинамическим режимом для второй задачи будет виброкипящий слой, в то время как для первой задачи он таковым не является. Активный гидродинамический режим должен обеспечить высокую эффективность процесса, то есть сочетание интенсивности, экономичности и качества получаемого продукта с учетом затрат (не только по основному аппарату, но и всей установке, включая вспомогательное оборудование).

Известно, что мощным средством интенсификации процессов сушки является применение режимов взвешенного слоя [4]. Однако, отнесение всех сушилок со взвешенным слоем заведомо к сушилкам с активными гидродинамическими режимами в корне ошибочно, так как каждый гидродинамический режим может быть активным только для определенной группы материалов, сходных по своим свойствам. Основным критерием при этом может служить характеристика структуры пор в высушиваемом материале, определяющая диффузионное сопротивление при сушке и необходимое время обработки материала во взвешенном слое, достаточное для достижения требуемой остаточной влажности. В качестве основного показателя размеров пор материала предложен критический размер пор ёкр (наименьший диаметр пор, из которых по технологическим условиям надо удалять влагу), позволяющий оценить наибольшее в процессе сушки эффективное диффузионное сопротивление (то есть сложность технологической задачи и необходимое время обработки в условиях взвешенного слоя). Критический диаметр пор ёкр может быть определен из кривых распределения пор по размерам, полученных на основе совместного анализа изотерм сорбции-десорбции и уравнения Томсона-Кельвина [1]. Использование для этой цели других методов (ртутной или газовой порометрии, микроскопического анализа и др.) в отличие от указанного метода позволяет определять чисто геометрические размеры пор без учета взаимодействия удаляемой влаги со стенками пор материала. Разработаны экспресс-методы определения критического диаметра пор [2,3]. Предложена классификация материалов по величине критического диаметра пор и величине адгезионно-аутогезионного коэффициента, характеризующего эффекты комкования влажных материалов в процессе сушки и налипания на стенки аппаратов [2,3]. Согласно указанной классификации материалы разделены на шесть классов, охватывающих весь диапазон размеров пор (от 100 до 2 нанометров). Осуществлена также классификация гидродинамических режимов взвешенного слоя [1,2] и рекомендованы типовые сушилки с активными гидродинамическими режимами для каждой группы материалов [3]. Так, для широкопористых матери-

алов с критическим размером пор ёкр более 100 нанометров (нм) рекомендованы в зависимости от величины показателя атгезионно-аутогезионных свойств высушиваемых материалов сушилки с режимами пневмотранспорта, циклонным и аэрофонтанным режимом. Для тонкопористых материалов (ёкр 6-4 нм) рекомендованы дисковые вихревые сушилки, а для микропористых материалов (ёкр 4-2 нм) рекомендованы сушилки с виброкипящим слоем.

Авторами [5] разработан метод сравнительной оценки активности гидродинамических режимов с использованием эксергетического анализа по величине эксергетиче-ских коэффициентов полезного действия [5], позволяющий объективно оценить конкурирующие разработки новых сушилок для одних и тех же материалов.

Выражение для расчета эксергетического коэффициента полезного действия можно получить исходя из балансовых соотношений (1, 2) по теплу и массе. Используя закон аддитивности (соотношение 3), можно из (1 - 3) получить уравнение (4), а вводя безразмерные комплексы (5), связанные с кинетическими коэффициентами X и ¡3, из соотношения (4) получим (6) и далее выражение (7) для эксергетического КПД.

СмАЬм + Wzn = aFДt ф. (1)

амДим=рЕДХср. (2)

Д^ =сД с Дхс (3)

5aF 5а

ДИс +7^ДХсрЬп +ДХсЛ (4)

т св в0 PF

-е=—,Б=—,п=— е а Ос (5)

^ ДИ м+(1+-Бп 5

ДИс=ДИМ+(1+)Дхср.Ип , (6)

где Дхср - средняя движущая сила процесса; 5—

1-ЬсДем

п = Де^ = ^ (7)

Пе Д6п ^ ДхсР ( )

5 ср.

Необходимо сопоставлять полезный эффект, получаемый в результате использования активных гидродинамических режимов, с затратами на их реализацию. В качестве показателя, характеризующего термодинамическую эффективность используемых методов активизации гидродинамической обстановки в аппарате, целесообразно использовать отношение эксергетических коэффициентов полезного действия до и после применения указанных методов или для альтернативных технических решений различных авторов. В этом случае активным (применительно к конкретному материалу

и аппаратурному оформлению) следует считать гидродинамический режим, для которого указанный показатель достигает наибольшего значения.

Эксергетический КПД также может служить комплексным показателем для оценки гидродинамического режима и степени загрязнения окружающей среды тепловыми выбросами, которые характеризуют экологическую чистоту промышленной установки. Например, в сушильной установке с активным гидродинамическим режимом наибольшим изменениям подвергается термическая составляющая эксергии взаимодействующих потоков, поэтому можно воспользоваться эксергетической температурной функцией для перехода от тепловых характеристик этих потоков к эксергетическим.

Для более полной характеристики сушильной установки необходимо ввести в эксергетический КПД Т]е составляющую, учитывающую гидравлическое сопротивление аппарата и энергозатраты, обусловленные выделением высушенного продукта из газовой фазы или на пылеочистку, независимо от того, проводится это процесс непосредственно в сушильном аппарате или вне его (8)—(10).

сеп /о\

п 2 (8)

Псе^^у^ (9)

1п(Рвх -ЛР)-!пР0 1пРвх -1пР0

где кх,к2 - относительный уровень ущерба от тепловых и пылевидных загрязнений; Рвх,Р0,ЛР - давление соответственно на входе в аппарат, окружающей среды и гидравлическое сопротивление аппарата.

Результаты эксергетического анализа показывают, что активные гидродинамические режимы являются ресурсосберегающими не только в отношении металла и производственных площадей (за счет малых размеров аппаратов), но и в отношении удельного расхода энергии.

Для расчета и проектирования сушилок с взвешенным слоем необходимо исследовать и моделировать так называемые динамические неоднородности структур потоков, т.е. в данном случае зоны с различной степенью активизации гидродинамики [2,6]. Аналитические решения [7] компонуются из известных решений для соответствующих потоков с учетом соотношения между передаточной функцией системы W (б) и передаточными функциями отдельных потоков Wi (б):

Мр

ж& = ХА • ж(*), (11)

г=1

где А - относительные доли объемных расходов потоков; б - комплексная переменная; N - число потоков в системе.

Решение для ячеечной модели имеет вид ряда, в который входят все N корней pi уравнения

Пг = \ 0 . (10)

Вр = х"а58т[(1 + М) р] -2 зт[ Мр] + х058т[( N -1) р] = 0 ,(12)

где N - число ячеек модели; X - относительный обратный поток.

Циркуляционный контур смешанной модели состоит из секционной модели в ядре потока и блока идеального вытеснения или секционного потока в циркуляционной линии. В общем случае для контура к уравнения материального баланса трассера в ядре потока в относительных координатах имеет вид

(С1, к

— =МкЛк (1 - СД1 + Як) + СкЯк )/Мк (13)

(С

£ = МЛ (1 + Як)-(С-и - С,к)/Мк, I = 2,...Мк (14)

для циркуляционной линии контура идеального вытеснения соответственно

где М- - число секций контура к в ядре потока; Л - доля общего потока в контуре; Я = ^ к - относительный поток рециркуляции; Вк - объемная доля блока

идеального вытеснения; М - объемная доля секции в ядре потока. Решение уравнений (13) - (15) получаем в виде

* ( Ак,Я-1Е] к (А)Ф(Гк,у)

к

С (в) = IЛ

к=1

I

j=1

ч (1 - Вк) ^ г (Мку)

(16)

При Ак,j = (1 + Як-1)j )NN • Тк-1,(в) = [в - (у -1)Вк/Як],

Ек у (в) = ехр(-Т у (в) -[(1 + Як )/(1 - Вк)] Мк ), где к - число контуров в системе;

(Хк - число членов ряда обратного преобразования Лапласа; Г- гамма-функция; Ф -функция Хевисайда. Если циркуляционный контур имеет вид секционной модели, то расчет проводится численным методом.

В комбинированном вихревом аппарате закрученный в тангенциальном вводе поток газовзвесии сначала поступает в плоскую вихревую камеру, а затем, через асси-метричное выхлопное отверстие с переливным порогом, непосредственно в циклон или вихревой пылеуловитель. Преимуществом подобных конструкций является совмещение процессов, например сушки и пылеулавливания. Исследование структуры потоков в комбинированном аппарате и дисковой вихревой сушилке выполнено на дисперсном материале с диаметром частиц 1,85 мм.

На рис. 1 представлены результаты расчета структуры потоков для комбинированного аппарата. Данные рис. 1 получены при входной концентрации ^ = 3.1-10 (= Ом/Ог , где Ом и Ог- входные расходы материала и газа).

В результате применения процедуры идентификации адекватной оказалась двухпоточная секционная модель. Таким образом, в комбинированном аппарате может происходить разделение течения на две ветви с разными характеристиками. При увеличении высоты переливного порога характер течения существенно изменяется. Для такой конструкции адекватная ячеечная модель с N=1.6, при этом исчезает разделение потоков и максимально возрастает среднее время пребывания дисперсного материала в аппарате.

Для аппарата с пропеллерной мешалкой можно принять модель, состоящую из одного циркуляционного контура [уравнения (13-15)] с равными объемами восходящего и нисходящего потоков.

В аппаратах фонтанирующего слоя обычно отмечается заметная неоднородность структур течения, в первую очередь между восходящим потоком в ядре и опускающимся потоком в пристенной зоне. Однако опускающийся поток тоже неоднороден. Обработка данных показывает, что в нем имеются две зоны, среднее отношение локальных скоростей частиц в которых различается в 30 раз. Для интенсификации процесса и выравнивания неоднородностей в пристенной зоне в конусную часть аппарата вводят дополнительные горизонтальные струи.

На рис.2 представлены расчетные и экспериментальные кривые ¿-функций, характеризующие циркуляционную структуру потоков в аппарате фонтанирующего слоя с одинаковой высотой цилиндрической и конической части.

Три дополнительных ввода теплоносителя были расположены симметрично у нижнего основания конуса. Использовался дисперсный материал с диаметром частиц

ём = 1.2 • 10"3 м.

м

Рис. 1.

О,© о. 5 1,0 -1-5 г,О 2,5 « Функции

интенсивности для комбинированного вихревого аппарата: 1, 2 - экспериментальная Ь( 0 ^-функция интенсивности в точках замеров и между ними; 3 - Ь(0 ^-функция двухпоточной секционной модели, Р=3.21; 4 - Ь(0 ^-функция для модели ЯМОП, Р=9.6; 5 - Ь(0 ^-функция для стандартной ячеечной модели, Р=14,26;

6 - экспериментальная функция распределения времени пребывания ¥*(0);

7 - Ьд - относительная ошибка экспериментальной функции интенсивности.

Как видно из полученных данных, двухконтурная циркуляционная модель хорошо описывает все стадии циркуляционных процессов в аппарате. При уровне значимости а = 0.01 эта модель является адекватной. Соотношение времени циркуляции в

контурах составляет Т2 ~ 1.5, что говорит о значительном снижении неравномерности в пристенной зоне. Точка минимума двухпоточной модели без циркуляции соответствует границе между областями влияния различных контуров. Существование двух контуров циркуляции также хорошо соответствует трехзонной структуре фонтанирующего слоя, выявленной с помощью прямых замеров.

Результаты исследования кривых отклика в дисковой вихревой сушилке показали, что структурой потоков в ней можно управлять при помощи расхода газа через камеру Q■ Вид модели структуры потоков изменяется при некотором критическом значе-* . *

нии Q . При этом же значении Q происходит изменение характера удерживающей способности аппарата. Удельный вес циркуляционного контура колеблется в пределах 1517%, и в определенных режимах им можно пренебречь. Для дисковой вихревой

сушилки удалось снизить дисперсию до о = 0.25 просто изменением расхода несущей фазы.

3 - двухконтурная циркуляционная модель, к=2; 4 - двухпоточная модель без циркуляционных контуров; 5 - экспериментальная функция распределения

времени пребывания ¥*(в).

Активизация гидродинамического режима сокращает продолжительность сушки и, как правило, увеличивает допустимые по технологическим условиям температуры сушильного агента и высушиваемого материала, что в свою очередь, дает дополнительный положительный эффект.

Ярким примером влияния активизации гидродинамики на эффективность процесса может служить производство напалма. Сушка и поликонденсация нафтеновых кислот - основа производства напалма, осуществлялась в фильтрующем слое при температуре 40-450С, т.к. при большей температуре происходило так называемое «стеклование», что по технологическим условиям недопустимо. В результате применения активных гидродинамических режимов процесс стал осуществляться в двухступенчатой сушилке со взвешенным слоем в открытых в процессе исследований режимах проходящего кипящего слоя и свободного фонтанирования, что сократило продолжительность процесса с 70 часов до 40 секунд, т.е. в несколько тысяч раз. При этом оказалось возможным из-за кратковременного воздействия применять без потери качества температуры до 2300С.

Еще один пример - активизация гидродинамической обстановки при сушке волокнита. Ленточные сушилки с продуваемым движущимся слоем были заменены на дисковые вихревые сушилки с вращающимся слоем, что позволило сократить время обработки в десятки раз, в сотни раз сократить занимаемые оборудованием площади производственных помещений и почти в 100 раз уменьшить расход металла на изготовление аппаратов.

Обратные (то есть резко отрицательные) результаты получаются при неправильном использовании того или иного гидродинамического режима. Так, при сушке ве-нифлекса (тонкопористый материал) по «аналогии» с сушкой поливинилбутираля (широкопористый материал по внешнему виду похожий на венифлекс) был использован режим пневмотранспорта (труба-сушилка), хорошо зарекомендовавший себя при сушке поливинилбутираля. В результате требуемой влажности так и не получили. Только после замены режима пневмотранспорта на вихревой режим, являющийся активным для венифлекса, были достигнуты требуемые показатели по влажности готового продукта.

В последние годы разработаны активные гидродинамические режимы и их сочетания, позволяющие осуществлять эффективную безуносную сушку, предназначенные в качестве типовых для различных групп материалов [6].

В НИИХИММАШ и МГТУ разработаны многофункциональные безуносные аппараты со встречными закрученными потоками и управляемой гидродинамикой (ВЗП), которые реализуют активные гидродинамические режимы при сушке с одновременной пылеочисткой дисперсных материалов с критическим диаметром пор 6 нанометров [1,3]. Благодаря исследованиям МГТУ, РХТУ и Рос ЗИТЛП удалось за счет нового гидродинамического режима - вращающегося кольцевого слоя, увеличить время пребывания высушиваемого материала в аппарате ВЗП в 5 - 6 раз, что позволило на несколько тысяч наименований расширить ассортимент материалов, высушиваемых во встречных закрученных потоках [3,6].

В настоящее время активные гидродинамические режимы нашли широкое применение в ряде технологических процессов химической, пищевой и текстильной отраслей промышленности, в частности в красильно-отделочных производствах для процессов тепло-влажностной обработки, промывки, пропитки и др. (работы МГТУ им. А.Н. Косыгина). За процессами с активной гидродинамикой большое будущее.

Список литературы

1. Сажин, Б.С. Основы техники сушки/ Б.С. Сажин. - М.: Химия, 1984, - 320 с.

2. Sazhin, B.S. Scientific Principles of Drying Technology/ B.S. Sazhin, V.B. Sazhin.- New York.- 2007.- 506 р.

3. Сажин, Б.С. Научные основы техники сушки/ Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. - М.: Наука. - 1997. - 448 с.

4. Сажин, В.Б. Выбор и расчет аппаратов с взвешенным слоем/ В.Б. Сажин, М.Б. Са-жина. - М. - 2001. - 336 с.

5. Сажин, Б.С. Энергосберегающие процессы и аппараты текстильных и химических предприятий / Б.С. Сажин, М.П. Тюрин.- М.- 2001. - 311 с.

6. Сажин, В.Б. Сушка в закрученных потоках /В.Б. Сажин, М.Б. Сажина. - М.- 2001. -324 с.

7. Белоусов, А.С. Закономерности структур течений в аппаратах для обработки волок-нообразующих полимеров при активных гидродинамических режимах/ А.С. Белоусов, Б.С. Сажин.- Химические волокна. - 2007, №6. - С. 40-43.

УДК 677.697

О.С. Кочетов, В.Б. Сажин, М.В. Сошенко, М.А. Апарушкина, Е.О. Боброва,

Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРА КИПЯЩЕГО СЛОЯ С ВИХРЕВЫМИ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

The design procedure of parameters heat recyclors a boiling layer of systems of ventilation and an air conditioning for crest of scratched shops of Open Society « Troitskaya kamvolnaya factory», for the conditioner such as КТ-200 by settlement productivity of 182000 m3 / Л is considered. The optimum sizes of the device are received: 0,65x0,65x1,9 m, the area of alive section in a working zone of 0,42 m2, and also modes of operation of the device: mass speed of air no more than 4,1 ... 4,3 kg / (м2-с), an inert nozzle - open plastic spheres, aerodynamic resistance of the device - 0,35 ^a.

Рассмотрена методика расчета параметров теплоутилизатора кипящего слоя систем вентиляции и кондиционирования воздуха для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика», для кондиционера типа КТ-200 расчетной производительностью 182000 м3/ч. Получены оптимальные размеры аппарата: 0,65x0,65x 1,9 м, площадь живого сечения в рабочей зоне 0,42 м2, а также режимы работы аппарата: массовая скорость воздуха не более 4,1.4,3 кг/(м2-с), инертная насадка - полые пластмассовые шары, аэродинамическое сопротивление аппарата - 0,35 кПа.

Для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика» рассчитаем систему кондиционирования воздуха с утилизатором тепла кипящего слоя, снабженным вихревыми форсунками, и представленного на рис.1.

Аппараты с кипящим слоем наиболее эффективно используются в вентиляционных системах предприятий, где по технологическим требованиям необходимо поддержание в течение всего года повышенной относительной влажности воздуха, что характерно для производственных цехов текстильных предприятий.

Гребнечесальный цех ОАО «Троицкая камвольная фабрика», находящийся в г. Троицке Московской области, имеет площадь - 2 122 м , высоту - 3,2 м. На продольной стене цеха, обращенной на юг, имеются 32 окна, на восток - 10 окон, с двойным остеклением в деревянных переплетах, размером 1,8x1,4 м.

Технологическое оборудование состоит из 54 ленточных и гребнечесальных машин мощностью электродвигателей 2,8 кВт. В цехе одновременно работают 47 человек.

Сумма теплопоступлений от всех источников для теплого периода года EQ = 1004397 кДж/ч. Примем расчетные параметры Б наружного воздуха для г.Троицка [1]: ^ = 28,5°С, 1н = 54 кДж/кг. Внутренние параметры принимаем равными ^=25 °С при ф = 50 %.