CC BY
69
УДК 66.047
В.Б. Сажин, Б.С. Сажин, М.Б. Сажина, Е.В. Отрубянников
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия
ОПТИМИЗАЦИЯ АППАРАТУРНОГО ОФРМЛЕНИЯ СУШИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНИКЕ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ
Предлагается стратегия рационального аппаратурно-технологического оформления промышленных процессов сушки дисперсных материалов во взвешенном слое. Представлена новая классификация материалов как объектов сушки, совместимая с наиболее известными, позволяющая по местоположению материала в базовой классификационной таблице рекомендовать рациональное конструктивное оформление промышленного процесса сушки данного материала при наличии всего двух параметров материала, получаемых экспериментально: критического диаметра пор и коэффициента адгезионно-аутогезионного взаимодействия.
Предложенная стратегия позволяет рекомендовать тип сушилки, питательного и пылеулавливающего оборудования, оптимальных с конструктивно-технологической и термоэкономической точек зрения.
Как известно, процесс сушки является наиболее распространенным и одним из самых сложных процессов химической технологии, но далеко не всем известно, что на сушку расходуется фантастическое количество энергии - до 20% всех расходов энергии в промышленных производствах. Сушке подвергаются многие тысячи продуктов во всех отраслях промышленности. В химической промышленности большинство продуктов высушивается в дисперсном состоянии, что обусловило все возрастающее применение для их сушки различных гидродинамических режимов взвешенного слоя.
После фундаментальных работ по теории сушки академика Лыкова с сотрудниками мы значительно опередили исследователей на Западе в этой области. Однако мостик между теорией сушки и аппаратурно-технологическим оформлением процесса проложен не был. В результате техника сушки стала создаваться в отрыве от теории. Появилось множество научно не обоснованных конкурирующих конструктивных решений, число которых исчислялось тысячами. Совершенно необходимо было создавать научные основы техники сушки. Важнейшими проблемами были комплексный анализ материалов как объектов сушки, их классификация и выбор из огромного массива технических решений эффективных типовых аппаратов для каждого класса влажных материалов. Сушка наиболее многочисленного класса -дисперсных материалов- в большинстве случаев проходит в условиях внешней или смешанной задачи массообмена.
При этом, как известно, решающую роль играет гидродинамическая обстановка процесса. Именно поэтому для сушки дисперсных материалов химической промышленности плодотворной оказалась идея широкого применения различных гидродинамических режимов взвешенного слоя.
Первая из важнейших задач, которые нам пришлось решать на пути создания научных основ техники сушки, заключалась в получении и классификации основных характеристик влажных дисперсных материалов как объектов сушки
Среди основных характеристик влажных материалов (рис. 1) можно выделить пять групп: 1) сорбционно-структурные (изотермы сорбции-десорбции, кривые распределения пор по радиусам), ответственные за внутреннее диффузионное сопротивление в процессе сушки; 2) тепловые, или термические (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость), ответственные за термическое сопротивление в процессе
Наименование групп характеристик Основные характеристики группы Рекомендуемые методы получения При меча и ия
Гигротермические Термограммы сушки Метод М.Ф.,В.М. Казанских Балансовые (а не кинетические) характеристики, ответственные за энергетические затраты на собственно сушку Точнее называть эту группу - лиотермические характеристики
Энергограммы и теплоты смачивания Метод М.Ф. Казанского и метод адиабатического калориметра
Сорбц и он неструктурные Изотермы и политермы сорбции-десорбции Вакуум-сорбционные весы Мак-Бена, метод М.И.Дубинина (для малых <р), объемный метод и расчетный (для политерм) Рекомендуемый расчетный метод определения размеров пор с использованием изотермы десорбции в отличие от других дает аффективный размер пор, учитывающий диффузионное сопротивление норового пространства
Интегральные и дифференциальные кривые распределения пор по размерам Расчетный метод (по изотермам десорбции и уравнению Томсона-Кельвина), метод электронной рентгенографии (для гидрофобных пор)
Тепловые Теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость Метод двух температурно-временных точек С учетом связи между основными термическими характеристиками: ).- аср
Структурно-механические Размер и форма час] иц Электрон о] рафии А дгезион 1 ю - коге зион ные характер и сти к и очень важны для правильно]^ выбора аппарата и комплектующего оборудования; для их характеристики вводится обобщенный показатель - ранг адгезионно-когезионного коэффициента = 1-^-5)
Полидисперсность (кривые распределения но размерам) Расчетный метод на основе анализа
Адгезиионно-когезионные свойства Ранговая оценка на основе экспертного анализа
Рис. 1. а. Гигротермические (лиотермические), сорбционно-структурные, тепловые (термические) и структурно-механические
Гидромехан ичес-кие Скорость витания, скорость псевдоожижения Пороз пость и гидравлическое сопротивление слоя Определяются экспериментально или расчетным путем, предлагаемыми в диссертации методами
Тех нологи ческие Допускаемая температура нагрева материала Начальная и конечная влажность Пожаро-взрывоопасные свойства Другие ограничения технологического характера (например, недопустимость наличия кислорода) Задаются технологами при постановке технологической задачи по сушке (заказ-задание на сушку) Данные технологов подлежат уточнению со стороны специалистов по сушкс для более корректной постановки технологической задачи по сушке конкретного дисперсного материала
Кинетические Кривые кинетики сушки Кривые скорости сушки Определяются экспериментально на модельной установке или по стандартной методике. Предпочтительнее пользоваться расчетным методом с использованием классификационной таблицы материалов как объектов сушки Кинетические характеристики в комплексном анализе материалов как объектов сушки могут не участвовать.
Рис. 1. б. Гидромеханические, технологические и кинетические характеристики влажных материалов
сушки; 3) гигротермические, или лиотермические (термограммы сушки, теплоты смачивания), определяющие виды и энергию связи влаги с материалами; 4) структурно-механические (адгезионно-аутогезионные свойства, размер и форма частиц), влияющие на выбор гидродинамического режима и конструкции загрузочно-разгрузочных устройств; 5) технологические характеристики (допустимая температура нагрева материала, пожаро-взрывоопасные свойства), часто играющие роль ограничивающих параметров при выборе методов сушки и конструкции аппарата.
В качестве объектов исследования было выбрано несколько десятков различных по своей структуре, химическим и технологическим особенностям влажных дисперсных материалов, высушиваемых как от воды, так и от органических растворителей в различных производствах химической промышленности.
Анализ методов определения термических характеристик позволил нам рекомендовать в качестве типового метод двух температурно-временных точек. Рекомендован экспресс-метод определения основных видов связи влаги с материалами по сингулярным точкам кривых зависимости тепло- и температуропроводности от влажности. Для снятия изотерм сорбции-десорбции рекомендован метод вакуум-сорбционных весов (весы Мак-Бена).
Нами установлено, что энергия связи влаги с материалом является балансовым, а не кинетическим фактором, если в системе отсутствует «тепловой голод». Если же к высушиваемому материалу подводится недостаточно количества тепла, энергия связи влаги с материалом становится кинетическим фактором и отражается на кривой кинетики сушки материала. В подавляющем большинстве случаев (если нет технологических ограничений по интенсивности сушки) можно обеспечить подвод к высушиваемому материалу достаточного количества тепла, исключающее явление «теплового голода» (например, во взвешенном слое) (рис. 2).
Фактором, определяющим кинетику сушки, является диффузионное сопротивление, которое зависит от распределения пор в материале по размерам. Показателем, однозначно определяющим принадлежность материала к определенному классу, является критический диаметр пор - наименьших по размеру пор, из которых по технологическим условиям надо удалять влагу. Предложена методика определения критического диаметра пор из кривых распределения пор по радиусам, полученных по десорбционной ветви изотермы сорбции-десорбции с использованием уравнения Кельвина-Томпсона, которая в отличие от большинства известных методик (ртутная порометрия, азотный метод. рентгеноструктурный анализ и др.) пригодна не только для гидрофобных, но и для гидрофильных материалов, так как определяет не чисто геометрический, а эффективный радиус пор с учетом взаимодействия поверхности пор с удаляемой влагой. Полученный таким образом критический диаметр пор является показателем сложности технологической задачи и наибольшего диффузионного сопротивления в процессе сушки данного материала.
На базе комплексного анализа влажных материалов существует несколько методов классификации материалов как объектов сушки. В частности, влажные дисперсные материалы можно характеризовать по технологическим свойствам (допустимая температура нагрева, токсичность, взрывоопасность), по агрегатному состоянию (твердые, пастообразные, суспензии, растворы) и по химическому составу. Однако, указанных признаков не достаточно для выбора рационального типа сушильного агрегата. В связи с чем, выделяют классификацию материалов по типу теплофизических задач (посредством характеристических чисел В^ ВГ, Fo, Fo', рекомендуя для каждого класса продуктов соответствующие сушильные аппараты).
ЯГ ?)Т ЙГ
Зг от ог
№=2+/, (Не, Рг, п,) (10) = 2+0,5111еи й Рг'0'33 (п)
(п) №=
]1е
I 8
р ЦЗ
(13)
Рис. 2. Основные уравнения тепломассопереноса при балансовой и внешней задачах
Аналогичным образом можно разделить задачи межфазного тепло- и массообмена на внешние, внутренние и балансовые, при этом разграничивая по значениям числа Bi (теплового или диффузионного), соответственно, при В^ ВГ>20 -задача считается внутренней, при В^ ВГ<0,1 - внешней. Недостаток указанной классификации заключается в том, что определяющие параметры (температуропроводность, коэффициенты термодиффузии, тепло- и массоотдачи) зависят не только от природы материала, но и от конкретного метода и режима обработки.
Наиболее рациональной является классификация на основе факторов, определяемых природой и свойствами материала, которые оказывают влияние на кинетику тепловых и массообменных процессов и (в первом приближении) не зависят от параметров процесса. В классификации по формам связи влаги все материалы разбиты на четыре класса: 1) материалы, в основном сыпучие, подобные капиллярно-
пористым телам с физико-механической формой связи влаги; 2) материалы, содержащие помимо жидкости, удерживаемой физико-механической формой связи, адсорбционно-связанную влагу; 3) материалы (могут быть пастообразными, в виде растворов, сыпучими и полусыпучими), подобные коллоидным капиллярно-пористым телам, удерживающим кроме вышеперечисленных форм связанной жидкости также осмотически- и структурно-связанную жидкость; 4) материалы, содержащие химически связанную влагу, помимо уже перечисленных форм. Данная классификация дает возможность понять специфику процессов сушки материалов в различными формами связи влаги, оценить тепловые балансы в процессе сушки, но не позволяет определить целесообразный тип аппарата и оценить время сушки.
Наиболее полно отразить свойства влажных материалов как объектов сушки позволяет классификация по сорбционно-структурным характеристикам с учетом видов и энергии связи влаги с материалом и его адгезионно-аутогезионных свойств (рис.3.а, 3.б). Согласно указанной классификации все материалы разделены на 4 группы (некоторые из групп ещё на подгруппы). Классифицируемые материалы условно представлены в виде шифра, первая цифра которого обозначает группу, вторая - подгруппу, третья - разряд, позволяющий оценить адгезионно-аутогезионные свойства, по рейтингу адгезионно-аутогезионного коэффициента (Ка), связанного с углом естественного откоса дисперсного материала, в баллах (от 1 до 5), идеально сыпучий материал имеет Ка = 1, а липкий пастообразный материал - Ка = 5. Первую группу (не имеющую подгрупп) составляют непористые и широкопористые материалы с диаметром пор 100 нм, содержащие свободную вагу и влагу капилляров, подразделяющиеся на два разряда (Ка = 1 и Ка = 3), продолжительность сушки которых не превышает 0,5-3,0 с. Ко второй группе относятся однородно- и неоднороднопористые материалы с критическим диаметром пор до 6 нм, содержащие свободную влагу, влагу микро- и макрокапилляров, а также адсорбционно-связанную влагу, подразделяющиеся на три разряда (Ка до 1, Ка до 3, Ка до 5), продолжительность сушки которых составляет от 3 до 40 с.
Группа материалов Шифр Критически й диаметр пор нм ь*анг адгезионно аутогеаноиного ко:)ффн цента Характеристика пористой структуры материала и вида связи влаги Придилжнтсль л ость сушки Примеры материалов, относящиеся к даннойгруппе
1 2 3 4 ! 6 7
Первая 1.0.1 Более 100 ! 11еиористые и широкопо-ристыс материалы со свободной и слабо связанной влагой 0,5-3,0 с Сополимер стирола с дивинилбензолом
1,0.2 То же 3 То же 0,5-2,0 с Хлористый калий
Вторая 2.0.1 От 100 до 6 1 Высоковлажные материалы с переходными порами, со свободной и связанной влагой 3,0-5,0 с Суспензионный по ли вин илхл орид
2.0.2 То же 3 Тоже 5,0-30 с Полистирол ПС-СУ2; сополимер стирола МС; сополимер А-15, сополимер формальдегида
2.0.3 От 100 до 6 5 Высоковлажные материалы с переходными порами, со свободной и связанной влагой Ю-40 с Пол и в ин илбутирал ь
Рис. 3. а. Классификация дисперсных материалов как объектов сушки по сорбционно-структурным признакам. Первая и вторая
К третьей группе относятся материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2, содержащие капиллярную и адсорбционно-связанную влагу, подразделяемые на две подгруппы (каждая из которых делится на два разряда по Ка): 1) с критическим диаметром пор от 6 до 4 нм, время сушки от 0,5 до 2 мин; 2) от 4 до 2, время сушки от 2 до 20 мин. Четвертую группу составляют материалы с ультромикропористой структурой (поры по размерам соизмеримы с молекулами), в процессе сушки (от нескольких десятков минут до нескольких часов) удаляется прочносвязанная влага, подразделяемые по эквивалентному диаметру частиц на три подгруппы: 1) менее 1 мм (деление на два разряда по Ка); 2) от 1 до 2 мм (крупнодисперсные); 3) > 2мм (гранулированные). Такая классификация дает достаточно полное представления о процессе сушки материала.
1 2 3 А 5 6 7
Третья 3.1.1 До 4 1 Тонкопористые материалы со свободной и связанной влагой 0,5-2 мин Сополимер стирола МСН
3.1.2 То же 3 То же 0,5-2 мин Сополимер ВХВД-40
3.2.1 До 2 I Микропористые материалы со свободной и связанной влагой 2-20 мин Поливинилацетат бисерный
3.2.2 То же 3 То же 2-20 мил Мономер М-2
Четвертая 4.1.1 Ультрамикро поры «><2); А < 1мм 1 Дисперсные материалы со свободной и связанной влагой, содержащие ультра-микропоры, соизмеримые с рачмерами молекул удаляемой жидкости 2-20 мин Ионообменные смолы (катион итная смола КУ-2-8ЧС, анион итная смола ЭДЭ-10П)
4.1,2 Ультрамикро поры (й?„р<2 ); сЫ < 1мм 3 То же 2-20 мин Полиолефины (полиэтилен, полипропилен, сополимеры)
4.2.0 То же 1 мм < с!ч < 2мм 1 Крупнодисперсные материалы, содержащие у льтрам и кр01 юры 20-60 мин Полиамидные смолы, полиакрилонитрил и сополимеры
4.3.0 То же с!ч>2 мм 1 Гранулированные материалы, содержащие ультрамикро] юры Более 60 мин Лавсан, капрон
Рис. 3. б. Классификация дисперсных материалов как объектов сушки по сорбционно-структурным признакам (продолжение) . Третья и
На основе комплексного анализа материалов как объектов сушки в качестве системообразующих нами для классификационной таблицы выделены две базовые характеристики - критический размер пор ^кр), ответственный за диффузионное сопротивление в процессе сушки соответствующего дисперсного материала, и адгезионно-аутогезионный коэффициент Ка-к, определяющий адгезионно-аутогезионные свойства подлежащего сушке влажного материала.
Разработана новая система классификации и базовая классификационная таблица (рис. 4). Эта таблица имеет принципиальное значение, т.к. положение материала в ней определяет продолжительность сушки во взвешенном слое и целесообразный гидродинамический режим взвешенного слоя. Введение характеристики технологической задачи по сушке в виде диффузионного критерия ВГ привело таблицу в соответствие с классификацией пор по размерам с учетом преобладающего механизма переноса влаги.
Величиной диффузионного критерия Био характеризуется тип технологической задачи (до ВГ<0,1 - внешняя задача, до ВГ=20 - смешанная задача, В^20 - внутренняя
задача массообмена). При этом, материалы подразделяются на шесть классов, охватывающих внешнюю, смешанную и отчасти внутреннюю задачи массообмена (от ВГ< 0,1 до ВГ< 30), шифр которых включает указание класса (по величине критического диаметра пор), группы (по рангу Ка), разряда (по наличию или отсутствию пылевой фракции).
[ Указатель технологической задачи Сво Класс материалов Шифр (класс, группа, разряд) Критический диаметр пор ¿V пм Группа пор Ранг адгезионно-К ОГСЗ ионного коэффи цента 11оказатсль дисперсности Характеристика пористой структуры материала и вида связи влаги 1 [родолжи-тельность сушки в эффективном гидродинамическом режиме
Грубо- дисперсные Тонкодисперсные
ВГ<0,1 Первый 1.1.1. 1.1.2. Более 100 0 2 1 Непористые материалы со свободной влагой 0,5-2,0 с
2
1.2.1. 1.2.2. 3 1
2
В1<1 Второй 2.1.1. 100-8 1 2 1 Широкопорис г ы е материалы со слабо связанной влагай (Испарение жидкости из жидкой пленки) 3,0-5,0 с
2.1.2. 2
2.2.1. 3 1
2.2.2. 2
2.3,1. 4 1
2.3.2. 2
ВГ<10 Третий 3.1.1. 8-6 2 2 1 Высоковлажные материалы с переходными порами со свободной и связанной влагой (К нудсеневская диффузия) 10-40 с
3.1.2. 2
3.2.1. 3 1
3.2.2. 2
В!'<20 Четвертый 4.1.1. 6-4 Э 2 1 Тонкие поры со свободной и связанной влагой (Кнудсеновская и поверхностная диффузия) 0,5-2,0 мин
4.1.2. 2
4.2.1. 3 1
4.2.2. 2
Ш >20 Пятый 5.1.1. 4-2 4 2 1 Микропоры со связанной влагой (поверхностная диффузия) 2-20 мин
5.1.2 2
20<Ш'<3 0 Шестой 6.1.1. Менее 2 5 1 До 1 мм 1 - Ул ьтрам и кропоры, соизмеримые с размерами молекул (твердотельная диффузия) 2-20 мин
Г, = к,ли, ®
(=1 (=1 Т = г' + г" = г' + 2 к Ли, от
Рис. 4. Базовая классификационная таблица дисперсных материалов как
Разработана результирующая таблица, в которой установлено однозначное соответствие между шифром материала в базовой классификационной таблице влажных материалов и кодом сушилки, обеспечивающей эффективный гидродинамический режим сушки (рис. 5) .
Разработан обобщенный код: «технологическая задача и ее решение», в котором содержится информация о степени трудности технологической задачи по сушке данного материала, а также информация об оптимальном решении этой задачи (рис. 6).
Таким образом разработана новая классификация материалов как объектов сушки на основе предложенных базовых характеристик, позволяющая для любого дисперсного материала рекомендовать оптимальную сушильную установку, включающую сушилку, питательное оборудование и пылеуловители. Для каждого класса разработанной классификационной таблицы рекомендован типовой аппарат, реализующий те гидродинамические режимы, которые являются активными при сушке материалов данного класса (рис. 7).
Важнейшим фактором, определяющим пригодность типового аппарата для обработки материалов данного класса, является гарантия обеспечения требуемого времени пребывания материала в аппарате, то есть обеспечения получения высушенного продукта при любой начальной влажности (в пределах реальной технологии). Особенно это важно при сушке дисперсных материалов во взвешенном слое, где гидродинамика определяет среднее время пребывания материала в аппарате и спектр времени пребывания отдельных частиц, то есть равномерность сушки. Реальные материалы имеют сложную структуру и содержат поры различных размеров, поэтому продолжительность их сушки будет зависеть от количественного соотношения пор различных диаметров.
Рассчитать необходимую продолжительность сушки в условиях взвешенного слоя можно, используя принцип соответственных состояний и данные по кинетике сушки модельных материалов (рис. 8).
Продолжительность сушки дисперсного материала складывается из двух основных составляющих: продолжительности сушки в первом периоде, где определяющую роль играют теплофизические характеристики, и во втором периоде, где продолжительность процесса зависит от диффузионного сопротивления, определяемого размером пор, из которых удаляется влага. Обезвоживанию каждой группы пор соответствует определенная средняя скорость сушки, а продолжительность обезвоживания данной группы пор зависит как от указанной средней скорости, так и от массосодержания влаги в этой группе пор, которое определяется из кривых распределения пор по размерам. Общее время сушки материала во втором периоде рассчитывается как сумма продолжительностей удаления влаги из всех групп пор, имеющихся в данном материале.
Учитывая, что энергия связи влаги с материалом, как было нами показано ранее, не является кинетической характеристикой и не влияет на продолжительность процесса удаления влаги из порового пространства, расчет продолжительности сушки дисперсного материала во втором периоде может осуществляться по простым соотношениям (рис. 4, рис. 8).
Была построена номограмма для расчета продолжительности сушки позволяющая определить суммарную продолжительность сушки конкретного материала во взвешенном слое (по данным сушки модельных материалов) без проведения опытов по сушке данного материала (рис. 9).
Сопоставление расчетной кинетики с экспериментальной для 15 различных материалов подтвердило эффективность данного метода.
Разработанная стратегия выбора была реализована применительно к сушке
Класс материалов Шифр материала по классификационной таблице Тип сушилки Код сушилки Тип пылеуловителя Шифр пылеуловителя Тип питателя Шифр питателя Код сушильной установки
Первый 1.1.1 Циклонная сушилка (ЦС) Л 4,1 ЦН-15 У1 Секторный П1 А 4.1 Г11 У1
1.1.2 СКЦН-34 У2 А 4.1 П1 У2
1.2.1 Труба-сушилка (ТС-1) А 3.1 ЦН-15 У1 Шмек'овый П2 А 3.1 П2У1
1.2.2 СКЦН-34 У2 А 3.1 П2У2
Второй 2.1,1 Двухступенчатая труба-сушилка (ТС-2) А 3.1.2 ЦН-15 У1 Секторный П1 А 3.1.2 П1 У1
2.1.2 СКЦН-34 У2 A3.1.2 П1 У2
2.2.1 Сушилка с проходящим кипящим слоем (С11КС) А 1.2 ВЗП УЗ Шнсковый П2 Л 1,2 П2 УЗ
2.2.2 ВЗПК У4 А 1.2 ПЗ У4
2.3.1 Комбиниров анная циклонная сушилка (КЦС) А 1.2+4.1 ВЗП УЗ Двухшне-ковый ПЗ А 1.2+4.1 ПЗ УЗ
2.3.2 ВЗПК У4 А 1.2+4.1 ПЗ У4
3.1.1 Сушилка со встречными закрученным и потоками (СВЗП) А 4.3 - - Струйный П1 А 4.3 П1 У0
Третий 3.1.2 А 4.3 П1 УО
3.2.1 Комбинированная аэрофонтанная сушилка (КАС) А 1.2+2.2 ВЗП УЗ Шнсковый П2 А 1.2+2.2 П2 УЗ
3.2.2 ВЗПК У4 А 1.2+2.2 П2У4
Четвертый 4.1.1 Вихревая сушилка (ВС) А 4.2 ЦН-15 У1 Струйный Г11 Л 4.2 П1У1
4.1.2 ВЗП УЗ А 4,2 П1 УЗ
4.2.1 Комбинированная бсзуносная сушилка (СВЗП-ВК) А 4.2+4.3 - - Шнсковый П2 А 4.2+4.3 П2 УО
4.2.2 А 4.2 t 4.3 ГОУО
Пятый 5.1.1 Сушилка виброкипя-щего слоя (СВКС) А 1.3 - - Секторный П1 А 1.3 П1 УО
5,1.2 ВЗПК У4 А 1.3 П1 У4
Шестой 6.1.1 Сушилка кипящего слоя с вибрирующими поверхностями нагрева (КСВПН) А 1,3 М - - Секторный П1 А 1.3 М П1 УО
Рис. 5. Рациональный состав и коды сушильных установок
Полный код комбинированной аэрофонтанной сушилки с шнековым питателем-загрузчиком и вихревым пылеуловителем со встречными закрученными потоками (ВЗП)
М322.-Л(\2 + 22) К.П2УЗ
где М 3.2.2. - шифр материала, для которого данная установка является оптимальной.
При сушке в замкнутом цикле с применением электрофильтра в качестве второй ступени пылеулавливания:
М322.-Л{\2 + 22)
К Л 2 У (3 + 6) ЗЦ
(2)
Цифровой вид полного кода:
3.2.2.-(1.2+ 2.2) 2; 3 + 6; 3Ц
(3)
Общий код сушильной установки и технологической задачи для полиэтилена низкого давления, высушиваемого от бензина.
Мб.1.1 - А\З.М
ИЛИ
КЛ 1 У1 3 Ц
где м - модифицированная установка.
При двухступенчатой сушке:
М6Л. 1.-44.3+1,3^) КЛ\ У1 ЗЦ
или
6.1.1. -1З.м 1.7. ЗЦ
6.1.1.-(4.3+1.3^) 1.7. ЗЦ
(4)
(5)
С установкой пылеуловителя ВЗПК перед скруббером:
М6.1.1. - 44.3 + 13м) 6.1.1 - (4.3 + 13м) у / или
КЛ\ У(4 + 7) ЗЦ
1. (4 + 7) ЗЦ
(6)
Рис. 6. Пример составления обобщенного кода сушильной установки и технологической задачи
Класс материалов Шифр материала по классификационной таблице Тип сушилки
Первый 1.1.1 Ц и к.л онная сушилка (МО)
1.1.2
1 .2.1 1.2.2 Труба-сушилка (ТС-1)
Второй 2.1.1 Двухступенчатая труба-сушилка (ТС-2)
2.1.2
2.2.1 Сушилка с проходящим кипящим слоем (СПКС)
2.2.2
2.3.1 Комбинированная циклонная сушилка (К1ДС)
2.3.2
Третии 3.1.1 Сушилка со встречными закрученными потоками (СВЗП)
3.1.2
3.2.1 Комбинированная аэрофонтанная сушилка (КАС)
3.2.2
Четвертый 4.1.1 Вихревая сушилка (ВС)
4.1.2
4.2.1 Комбинированная безуносная сушилка (СВЗП-ВК)
4.2.2
Пятый 5.1.1 Сушилка виброкипящего слоя (О В КС)
5.1.2
Сушилка кипящего слоя с
Шестой 6.1.1 вибрирующими поверхностями
нагрева (КСВПН)
Рис. 7. Рекомендованные типы сушильных аппаратов взвешенного слоя для каждого класса дисперсных материалов
Время опорожнения } -той группы пор г
М> Рм а,
где рм>Рж ~ плотность абсолютно сухого материала и жидкости, удаляемой в процессе суш км; /,,— функция распределения объема пор_по диаметрам; К)■— коэффициент, обратно пропорциональный средней скорости Лг,, удаления жидкости из г'-ой группы пор; А/У, — содержание жидкости в материале, соответствующее заполнению пор диаметром от й/ до с1. г
Продолжительность %'' удаления жидкости из микрокапилляров материала, имеющего разно пористую структуру
1—П 1=п
/=1 ¿=1 Общее время сушки пористого материала
т = т' + т" = т' + ^К, АС/,.
/=1
Рис. 8. Расчет продолжительности сушки разнопористых дисперсных материалов при отсутствии явления «теплового
= (1)
(2)
(3)
Риг. 9. Нпмогпяммя для пягчетя пппдолжительнпгти гутки диспепгных
дисперсных материалов (так как до 80% подлежащих сушке материалов находятся в дисперсном состоянии).
Возрастающее применение при сушке дисперсных материалов находят различные гидродинамические режимы взвешенного слоя, отличающиеся высокой интенсивностью процесса.
При оптимальном применении такие режимы являются активными гидродинамическими режимами. Нами проведен анализ гидродинамики основных режимов взвешенного слоя и предложена классификация гидродинамических режимов взвешенного слоя, включающая четыре группы режимов: псевдоожижение, фонтанирование, пневмотранспорт и закрученные потоки (рис. 10).
Для всех режимов получены С-кривые отклика (рис. 11) и сравнительные характеристики по ряду основных показателей (рис. 12).
Для каждого класса разработанной нами классификационной таблицы дисперсных материалов как объектов сушки, рекомендованы типовые аппараты, реализующие те гидродинамические режимы, которые являются активными при сушке материалов данного класса (рис. 7).
Рис. 10. Классификация гидродинамических режимов
С ОГО
7---проходящий кипящим 8 -вихревой слой (13С);
слой (ТО-СС ): п -число псевдосекций.
Рис. 10. С-кривые отклика по твердой фазе для гидродинамических режимов взвешенного слоя
Наименование ГДУ ГДМ п„ (число пссвди секций) СЭ, к-В Ранг активности Режимные параметры
АР, кПа о, м/с Еср
Кипящий слой (КС) 1 1 1-3 5 2 1,5-5,0 0,1-15 0,6-0,75
Проходящий кипящий слой (ПКС) 4 6 5-10 1 10 0,2-0,5 1,5-15 0,7-0,85
Фонтанирующий слой (ФС) 6 3 3-5 3-5 3 3,0-30 8-60 0,65-0,8
Режим свободного фонтанировании (СФ) 5 6 5-10 1 4 0,1-0,3 10-40 0,9-0,99
Виброкипящий слой (ВКС) 5 10 40-100 0,5-2 6 0,1-0,2 0,05-0,8 0,6-0,7
Вихревой слой (ВС) 6 6 5-10 1-3 8 1,5-2,5 10-80 0,65-0,8
Пневмотранспорт (ПТ) 6 8 20-30 0,5-1 9 0,2-1,0 10-50 0,8-0,99
Закрученные потоки (ЗП) 8 6 5-10 1 10 0,6-2,0 15-40 0,85-0,95
Встречные закрученные потоки (ВЗП) 10 6 5-1» 1 10 0,5-2,5 10-50 0,8-0,99
ГДУ- гидродинамическая устойчивость; ГДМ - гидродинамическая модель; СЭ - статическое электричест во.
Рис. 12. Основные показатели гидродинамических режимов
Нами введено понятие «активные гидродинамические режимы», при которых достигается существенная интенсификация процесса сушки при высоких экономических показателях и качестве высушенного продукта.
Разработан метод количественной оценки активности гидродинамических режимов с использованием соотношения Фоккера-Планка и эксергетического коэффициента полезного действия (рис. 13). Нами показано, что обычная оценка эффективности работы сушильной установки по удельным затратам тепла на 1 кг испаренной влаги недостаточно эффективна и термический КПД неполно характеризует процесс в отличие от эксергетического расчета и эксергетического КПД. Обычный КПД существенно завышает оценку процесса (в два и более раза по сравнению с эксергетическим КПД).
Реализация метода позволила дать объективную оценку при рассмотрении конкурирующих технических решений и отборе лучших сушилок для рекомендации их в качестве типовых.
В связи с проблемой пылеочистки в последние годы были разработаны многофункциональные безуносные аппараты со встречными закрученными потоками и с управляемой гидродинамикой (ВЗП), которые могут быть рекомендованы в качестве нового поколения типовых аппаратов для материалов с критическим диаметром пор 6 нанометров (рис. 14).
Возможности сушилок ВЗП ограничены малым временем пребывания материала в аппарате. Нами было экспериментально установлено, что при определенных режимах работы аппарата ВЗП, вследствие расширения первичного потока, который в пристеночной области останавливает вторичный поток (частицы материала, вращаясь, зависают) образуется вращающееся кольцо частиц дисперсного материала, что
способствует дополнительной задержке материала в аппарате. Так, в последнее время за счет нового гидродинамического режима (вращающегося кольцевого слоя) удалось увеличить время пребывания высушиваемого материала в аппарате в 5 - 6 раз, что позволило на несколько тысяч наименований расширить ассортимент материалов, высушиваемых в СВЗП.
Балансовые соотношения:
С А/г + ТРгя = аГА(
мм п
ср
ОмАим = ^Ахср
Для сушильного агента по закону аддитивности:
Д/г = сЛ/^ + /г„ Дх
п
Из уравнений (1) — (3):
Л/г = ОД/г
ср
Ах к + Дх И
С с* ср п ср п
дат да
Вводя безразмерные комплексы:
Ье = с/3/а, % = ОсЮмЬ п = ^/Ос
Получим из уравнения (4):
Д/г - — Акм +
С Лг
г
1 +
Ье
\
V
б )
Ах И
*—ср п
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
где: Ах^у- средняя движущая сила процесса массопереноса; Лхс- изменение влагосодержания сушильного агента; а- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 град); />- коэффициент массопереноса, кг/(мс), 3 = Ыср / А/,..
Используя эксергетическую температурную функцию, имеем:
1 — Ье Ае „
Ае,
§пАес
С учетом пылеочистки:
(\ + Ье/ д)Ах
ср
пэ =
2
1 г + Луп
сеп
Л сеп
А
\п(рвх - Ар)-\пр0
\прех -Ыр0
где рвх, ро, Ар - давление соответственно: на входе в аппарат; окружающей среды и гидравлическое сопротивление аппарата.
(7)
(8)
(9)
(10)
Рис. 13. Количественная оценка активности гидродинамических режимов взвешенного слоя
2 - верхний периферийный тангенциальный ввод запыленного газа;
3 - патрубок выхода очищенного газа;
4 - нижний иентпальный тангенциальный ввол запыленного rasa; 5-вытеснитель;
6 - бункер уловленного материала;
7 - отбойная шайба.
Рис. 14. Аппарат со встречными закрученными потоками (ВЗП): эскиз аппарата ВЗП, аппарат с расширяющимся конусом (ВЗП
Рис. 15. Схемы типовых аппаратов: ЦС, ТС-1, ТС-2 - циклонная сушилка, трубы-сушилки одно- и двухступенчатая; СПКС, КЦС -сушилки с проходящим кипящим слоем и комбинированная циклонная; ВЗП - аппарат со встречными закрученными потоками; СВЗП-ВК - сушилка ВЗП с вихревой камерой; КАС,
Для микропористых материалов (четвертый класс) в качестве типовых аппаратов (рис. 15) рекомендуются комбинированные безуносные сушилки, в которых для увеличения времени обработки материала в верхней части типовых сушилок СВЗП пристраиваются дисковые вихревые камеры. Для ультрамикропористых материалов, рекомендуются сушилки с виброкипящим слоем материала (предпочтительно сушилки с погруженными в слой вибрирующими поверхностями нагрева).
Таким образом, разработана стратегия выбора рационального аппаратурно-технологического оформления процесса сушки, реализованная применительно к сушке дисперсных материалов во взвешенном слое. Выбор рационального аппаратурно-технологического оформления процесса сушки любого дисперсного материала (рис. 16) сводится к определению типового аппарата, рекомендованного для соответствующего класса дисперсных материалов, а для определения класса достаточно знать критический диаметр пор и ранг адгезионно-аутогезионного коэффициента данного материала.
Рис. 16. Алгоритм подбора оптимального технического
решения
Предлагаемая нами стратегия основана на комплексном анализе влажных материалов как объектов сушки. Позволяет с использованием принципа соответственных состояний обеспечить переход от статики к кинетике сушки без проведения дополнительных экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках, а также обеспечивает выбор конструктивно совершенных, экономически целесообразных и экологически чистых сушильных аппаратов и установок.
