CC BY
15
Ю.Н. Зацаринная
ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИНДИВИДУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПЫЛЕПРИГОТОВЛЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ БУНКЕРАМИ
В статье рассмотрены основные технологические процессы в аппаратах индивидуальных систем пылеприготовления с промежуточными бункерами. Рассмотрены химическая структура и строение углей, основные стадии процесса сушки материала, основы теории измельчения материала. Ключевые слова: топливоприготовление, сушка, угольная частица.
В процессе подготовки топлива к сжиганию уголь претерпевает ряд изменений: его подвергают размораживанию, сушке, дроблению. Кроме того, при нагревании угля происходит его термическое разложение на летучие компоненты и коксовый остаток.
Сушкой называется процесс удаления влаги из твердого влажного материала путём её испарения. При конвективной сушке происходит теплообмен между материалом и газообразным сушильным агентом - воздухом или продуктами сгорания. При этом нагретый воздух играет роль теплоносителя и среды, в которую осуществляется перенос влаги из материала.
Влажность материала характеризуется влагосодержанием Ж - отношением массы влаги ввл, содержащейся в материале, к массе абсолютного сухого материала Ос. В процессе удаления влаги W материала убывает, достигая при значительной продолжительности испарения равновесного влагосодержания ЖР, когда температура тела и воздуха становится одной и той же, а давление паров воды в материале равно парциальному давлению паров в воздухе. На удаление влаги из материала затрачивается энергия, соответствующая разрыву связей между влагой и материалом. По величине энергии таких связей построена классификация различных форм связи влаги с твердым веществом.
Физико-механически связанная влага находится в крупных капиллярах и на наружной поверхности материала. Удаление этой влаги в процессе термической сушки требует затрат энергии, приблизительно равных теплоте парообразования жидкости. Физико-химически связанная влага удерживается на внутренней поверхности пор материала адсорбционными силами. Количество адсорбционной влаги для одного и того же материала может быть различным в зависимости от внешних условий: температуры и влажности окружающей среды. Химически связанная влага
удерживается материалом наиболее прочно и, как правило, не удаляется из влажных тел при нагревании до 100-120°С.
Кривую скорости сушки получают на основе экспериментальных данных об изменении среднего влагосодержания Ж во времени [1]. Для этого проводят измерение массы материала во времени и строят кривую сушки: убыль влагосодержания - время (рис.1).
>у, % <і\у/сіт.
'V,
Рис.1. Кривая сушки Рис. 2. Кривая скорости сушки влажного материала
Кривую скорости сушки (рис. 2) находят путем графического дифференцирования кривой сушки или разбивкой её на равные по времени участки с последующем делением величины убыли влагосодержания на этих отрезках на длительность, т.е. N = Д И^/Дт. На основе кривых сушки и скорости сушки можно найти начальную критическое влагосодер-жание ЖК1, продолжительности различных стадий сушки, а также вычислить количество удаляемой влаги и интенсивность испарения влаги из материала т, рассчитываемую как количество испаренной влаги ввд за единицу времени т с единицы поверхности тела Б.
При сушке влажного материала при постоянной температуре и скорости обдува материала наблюдается: 1) период постоянной скорости сушки; 2) период падающей скорости сушки. В каждом конкретном случае формы кривой сушки и скорости сушки зависят от структуры капиллярно-пористого тела, вида связи влаги с материалом, скоростей переноса тепла и массы внутри образца и внешнего массо- и теплообмена поверхности тела и окружающей среды.
В начале процесса сушки - стадия прогрева материала. Убыль влагосодержания происходит медленно, а температура тела быстро становится постоянной и равной температуре мокрого термометра. Для тонких
материалов этот промежуток времени на кривой сушки малозаметен. В первый период сушки влагосодержание уменьшается в течение времени по линейному закону. Следовательно, убыль влагосодержания в единицу времени будет постоянной. Этот период продолжается до некоторого критического влагосодержания, начиная с которого скорость сушки будет убывать. В период падающей скорости сушки на кривой сушки прямолинейный участок переходит в кривую, асимптотически приближающуюся к равновесному влагосодержанию W, достигая которого скорость сушки становится равной нулю.
В период постоянной скорости сушки происходит удаление влаги с поверхности материала и из крупных пор. Скорость сушки определяется скоростью подвода тепла к материалу. Период падающей скорости сушки начинается тогда, когда на поверхности испарения влагосодержание равняется гигроскопическому (в то время как в центре оно больше). Во второй период удаляется связанная влага, удерживаемая в материале капиллярными и адсорбционными силами. В этом случае скорость определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины тела к поверхности. Кривая скорости сушки во второй период имеет различную форму, которая зависит от режима сушки и вида связи влаги с материалом.
Для исследования кинетики процесса сушки необходимо знать поля влагосодержания и температуры, которые могут быть получены из решения дифференциальных уравнений массо- и теплообмена при соответствующих граничных условиях. При постепенном нагревании в инертном газе уголь, при температурах 620-670°К, начинает разлагаться с образованием первичных продуктов деструкции (летучих) и кокса. Выделение летучих наблюдается вплоть до температур 1220°К [2]. Процесс выделения летучих - это термическое реагирование, протекающее в органическом веществе, нагретом до температур, при которых неустойчивыми в органических молекулах становятся углерод-углеродные и углерод-водородные связи, являющиеся прочными при низких температурах [3]. Большое влияние на выход летучих угля оказывает степень его измель-ченности, т.е. чем меньше частица, тем меньше сопротивление эвакуации летучих продуктов разложения [4].
Измельчением принято называть процесс увеличения поверхности материалов. В мельнице измельчение происходит одновременно с процессом сушки. Примерами его являются сухое и мокрое измельчение твёрдых тел, эмульгирование и распыление. Понятию «измельчение» близко понятие «смешение», под которым подразумевается тот же процесс увеличения поверхности [5]. При смешении предполагается, что час-
тицы одного из компонентов должны быть равномерно распределены во всём объёме смеси без преодоления твёрдости. Таким образом, процессы измельчения, смешения, эмульгирования не могут быть резко разделены, так как они переходят один в другой. Обычно рассматривают процессы измельчения твёрдых хрупких тел как наиболее простые.
Основным в теории измельчения является установление количественной зависимости между дисперсностью измельченного продукта и энергией, затраченной на его диспергирование. Если характеризовать диспергирование продукта величиной прироста его поверхности
Д5 = 52 — 5;, (1)
где Д^ и Д52 - размеры поверхностей продукта до и после измельчения, то согласно закону Риттенгера энергия, затраченная на измельчение, будет прямо пропорциональна приросту поверхности
А2 = Кк Д5, (2)
где Кл - работа, затрачиваемая на увеличение единицы поверхности (величина постоянная для данного материала).
Наряду с этим законом в литературе широко известен закон измельчения Кирпичева-Кика, утверждающий, что энергия, необходимая для измельчения, пропорциональна объёму V измельчаемого материала
А1 = КкУ, (3)
где Кк - работа, необходимая для разрушения частицы с объёмом, равным единице.
Между законами Риттенгера и Кирпичева-Кика противоречий нет, так как первый из них описывает процесс измельчения, то есть процесс образования новой поверхности, а второй - процесс предельно упругого деформирования тела, предшествующий разрушению. Это долго не учитывали, что привело к образованию двух точек зрения: согласной первой из них считался справедливым закон Риттенгера, согласно второй - закон Кирпичёва-Кика. Лишь в 1943 г. академиком П.А. Ребиндером [6; 7] было указано, что отмеченное выше противоречие кажущееся и что в соответствии с существованием двух стадий процесса измельчения тела (упругим деформированием и разрушением) энергия измельчения должна представлять собой сумму энергий упругих деформаций (Кирпичёв-Кик) и образования новой поверхности (Риттенгер). Таким образом, по закону Ребиндера
А=А1+А2= КкУ + КкАБ.
(4)
Установлено, что прочность реальных твёрдых тел значительно меньше расчётной прочности, определяемой на основании данных о их кристаллической решетке. Прочность реальных кристаллических материалов в сотни и тысячи раз меньше расчётной. Это объясняется наличием дефектов, распределённых в деформируемом объёме.
В промышленных условиях параметры сушильного агента обычно изменяются вследствие его взаимодействия с влажным материалом, поэтому практическое использование теории внутреннего массо- и теплообмена часто оказывается весьма ограниченным.
Самое простое предположение о кинетике сушки состоит в том, что влага внутри пористой структуры материала может перемещаться относительно свободно [1]. Испарение происходит только на наружной поверхности, а удаляемая с поверхности влага подводится из внутренних зон материала при исчезающее малом градиенте влагосодержания. Скорость испарения с поверхности определяется количеством теплоты, подводимой к наружной границе тела. Температура поверхности и всего объема влажного тела одинакова, постоянна и равна температуре мокрого термометра 1м окружающей среды. Значение скорости сушки - ди/дхв рамках сделанных упрощений определяется делением количества подведенной теплоты на удельную теплоту парообразования ге:
где V, ¥, р5 — объем, поверхность испарения и плотность материала. Дополнительно полагается, что время прогрева влажного материала пренебрежимо мало по сравнению с общим временем сушки, и тогда начальное условие для уравнения (5) имеет вид: и | т=0 = и0.
Интегрирование соотношения (5) при возможном изменении во времени температуры и влагосодержания сушильного агента дает:
При постоянстве параметров ї, їм и ге интегрирование в (6) приводит к простому результату:
-7р5^ = о?(с-см)/ге,
(5)
аР гті-ім
(6)
Сушка с постоянной скоростью и постоянной температурой материала, равной 1;м, может реализовываться для мелкодисперсных материалов с крупной пористой структурой, внутри которых не создается заметное сопротивление внутреннему перемещению влаги.
При сушке крупнопористых материалов в среде с высокой температурой может происходить постепенное углубление локализованного фронта испарения влаги. Теплота к фронту испарения подводится теплопроводностью от сушильного агента поперек высохшего слоя материала. В результате испарения в зоне фронта образуется избыточное давление, под действием которого пары влаги фильтруются к наружной поверхности. Суммарная скорость удаления влаги зависит в таком случае от двух последовательных сопротивлений - термического и фильтрационного. Давление паров и температура на фронте испарения связаны между собой как параметры насыщенного пара и устанавливаются в ходе самого процесса. Сравнительно медленное продвижение фронта вглубь материала позволяет считать поля температуры и избыточного давления в высушенном слое квазистационарными. Для сферической частицы такие поля потенциалов переноса теплоты и паров влаги являются решениями стационарных уравнений переноса в полных производных:
#1 + 1*!=0-^ + -^=0. (8)
Лг2 г йг ’ йг2 г йг '
Температура и давление на наружной поверхности частицы считаются известными: г|г_й = С0 и Р\Г=К = Р0. На фронте испарения справедливы соотношения Т \ г=^ = Т* и Р | г_^ = Р*, в которых зависимость Р* от температуры Т* определяется соотношением для насыщенных паров влаги. Решение уравнений (8) при сформулированных граничных условиях имеет вид:
Г =(„-((„ - Р = Р„-(Р0- Р'^~ (9)
Теплота, подводимая к фронту испарения теплопроводностью, расходуется на испарение влаги
47Г^2Д = Ап?Р*ио % (9)
Образующийся на фронте испарения пар удаляется через слой высушенного материала в соответствии с уравнением ламинарного фильт-
рования:
4п$2р$ “ I ? = 4т1%2р3Щ (10)
В уравнениях (9) и (10) р и д плотность и динамическая вязкость паров; К*- фильтрационная паропроницаемость слоя сухого материала.
Из уравнений (8) - (10) следует, что между температурой и избыточным давлением на фронте испарения устанавливается линейная взаимосвязь независимо от положения фронта испарения ^ (т):
с» = Г+^Л,0>*-Р„). (11)
Подстановка решения (8) в (9) приводит к дифференциальному уравнению для скорости продвижения фронта испарения в глубь сферической частицы:
«ЛЛ0 = ^((„-Г). (12)
Разделение переменных и интегрирование соотношения (12) при начальном условии приводит к уравнению кинетики сушки
частицы, записанному через относительную степень высушивания частицы У — (£/Я):
Аа/з у _ ! ЯЕо-Т) ,13ч
2 3 6 и0герБИ2' ( )
При у = 0 определяется время полного высушивания частицы, а ско-
рость сушки находится дифференцированием (13):
Чу _ ЗЯ({0-Г*)у2/3
сгт и0ГеР5й2(У1/3-1)' ( )
В модели, которую можно назвать моделью массопроводности [8], предполагается незначительное влияние термоградиентного переноса внутри материала. Кроме того, считается, что для материалов, отдающих влагу медленно, скорость прогрева значительно превышает скорость вла-гоудаления, а это приводит к развитию процесса сушки внутри материала, практически уже прогретого до постоянной температуры. Влияние температурного уровня процесса учитывается зависимостью коэффициента массопроводности от температуры.
Все элементарные виды переноса массы в капиллярно-пористом материале считается возможным заменить на некоторую эквивалентную массопроводность j = —D3gradC, ,где коэффициент эффективной диффузии Пэ зависит от структуры материала, локальных значений концентрации влаги С и температуры. Локальный баланс массы внутри влажного материала и использование кинетического соотношения (14) дают следующее уравнение:
^ + div(—D3gradC) = 0. (15)
Для сравнительно небольшого диапазона изменения концентрации коэффициент Пэ можно считать неизменным и уравнение становится линейным.
Нелинейное уравнение (15) при произвольной зависимости Д/С) не имеет общих методов решения. Численные методы, используемые в таких случаях, показывают, в частности, что скорость процесса нестационарной массопроводности в значительной степени определяется его конечной стадией, когда коэффициент D3, как правило, имеет наименьшее значение. Методы экспериментального определения величин Пэ для различных материалов рассматриваются в литературе, посвященной разработке метода изотермической массопроводности [8].
Изложенные модельные представления о кинетике сушки могут служить основой для расчетов процессов непрерывной и периодической сушки при различных способах организации движения дисперсного материала и сушильного агента в промышленных аппаратах. Если в рабочем объеме аппарата параметры сушильного агента (температура, влажность и скорость) практически постоянны, то кинетические зависимости для скорости сушки могут быть использованы непосредственно. Однако при сушке дисперсных материалов, обладающих значительной тепловоспринимающей поверхностью, происходит изменение температуры сушильного агента. Следовательно, данные по кинетике сушки отдельных частиц, получаемые, как правило, при постоянных внешних параметрах, необходимо рассматривать при переменных значениях температуры и вла-госодержания сушильного агента, к тому же характер этого изменения обусловлен самим процессом тепло- и массообмена.
Существенно усложняет анализ процесса сушки полидисперсность реальных материалов, поскольку в балансовом уравнении, связывающем параметры потоков дисперсной фазы и сушильного агента, возникает необходимость дополнительного интегрирования по спектру распределения частиц [9].
Модельные представления о кинетике сушки (как, впрочем, и для
других процессов массо- или теплообмена) развиваются для частиц правильной геометрической формы. При этом считается, что для частиц произвольной конфигурации следует вводить соответствующие эквивалентные размеры. Однако общих правил нахождения эквивалентных размеров не существует и погрешность расчетов оценить затруднительно.
Моделирование процессов тепломассопереноса для влажных материалов с неизотропной капиллярно-пористой структурой существенно осложняется необходимостью учета различия свойств таких материалов по отдельным направлениям внутри частиц. Полезно также иметь в виду, что в рамках той или иной модели процесса не удается количественно определить пределы применимости используемой модели, что вызывает необходимость экспериментальной проверки возможности использования той или иной кинетической модели для конкретного материала в конкретных условиях. Отмеченные обстоятельства существенно усложняют общую задачу расчета процессов сушки дисперсных материалов. Поэтому в настоящее время часто используется метод экспериментального получения данных о кинетике сушки и нагрева реальных частиц влажного материала.
Источники
1. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. Л.: Химия, 1990. 420 с.
2. Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля. М.: Наука, 1990. 199 с.
3. Anthony D.E., Howard J.B., Hottel H.C., Messner H.R. Rapid devolatilization and hydrogazification of bituminous coal // Fuel. 1976. V. 55. Р. 121-128.
4. Панченко С. И. // Кокс и химия. 1965. № 6. С. 1.
5. Акунов В.И. Технология тонкого и сверхтонкого измельчения. М., 1959. 126 с.
6. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Издательство АН СССР, 1949.
7. Ромадин В.П. Пылеприготовление. М.: Машгиз, 1953.
8. Рубашта С.П. Массоперенос в системах с дисперсной фазой. М.: Химия, 1980. 248 с.
9. Ignasiak B.S. Cawlak M. Polymerik structure of coal. 1.Role of ether bonds in constitution of high-rank vitrinite //Fuel. 1977. V. 56, Р. 216-222.
Зарегистрирована 14.09.2010 г.
