CC BY
7�оростей взаимодействующих фаз не обеспечивает его высокую эффективность, если гидродинамический режим не соответствует технологической задаче по сушке данного материала. Поэтому суть активного гидродинамического режима не в интенсивности, а в эффективности процесса с учетом не только самого сушильного аппарата, но и всей сушильной установки в целом.
Таблица 1.
Классификация дисперсных материалов как объектов сушки_
й § с е ги ) § - о из в о л а и а ? а раз р а, п п ^ & м н а 43 р о п тр <и р о а о г о и и о И ¥ СП , а й ^ оа т ат РЗ Показатель дисперсности Характеристика пористой структуры в е а % 0 8 ^ к с р Л к Э ть о м ст он ок
к нх и ате ам с сас й а а 03 п сз <и -и 5 н а
еч т а ьл да лз ез ате 1 с, с а а -е и и д й кс <и п у р 1-4 оц н оф иф зэ гез эок е ы н с р е п о и е ы н с р е п о и материала и вида связи влаги ль кт ч тел фек иам и ф ан ж э ни * 1 о др
о По а ити ирК г Рч д о б у р 1-4 д док н о Т ри Пг
« 1.1.1. о 1 ),5-2,0 сек
о" V ¿5 « 1.1.2. 2 2 Непористые материалы со свободной
а <и С 1.2.1. <и ч 0 1 влагой
1.2.2. РЧ 3 2
2.1.1. 1
>63 о а 2.1.2. 2 2 Широкопористые материалы со слабо связанной влагой (Испарение жидкости из жидкой пленки) ,0-5,0 сек
V 2.2.1. 00 1 1
о н т 2.2.2. о 1 3 2
2.3.1. 1
2.3.2. 4 2
« « н 3.1.1. 1 Высоковлажные материалы с пере-
V «3 3.1.2. ю 2 2 ходными порами со свободной и свя- 10-40 сек
<и £ 3.2.1. 00 1 занной влагой (Кнудсеновская диф-
3.2.2. 2 3 2 фузия)
« 4.1.1. 2 1 Тонкие поры со свободной и связан- ),5-2,0 мин
V н а 4.1.2. 3 2 ной влагой (Кнудсеновская и поверх-
« н 4.2.1. 1 ностная
<и 4.2.2. 3 2 диффузия)
¿1 * 5.1.1. <М 1 Микропоры со связанной влагой (по- 2-20 мин
05 5.1.2. 4 2 2 верхностная диффузия)
V V йЗ ^ V о й 2 Ультрамикропоры соизмеримые с
о т о е а 6.1.1. е е и е 3 5 1 До 1 мм - размерами молекул (твердотельная диффузия) 2-20 мин
Именно поэтому в последнее время термин «активный гидродинамический режим» мы нередко заменяем термином-синонимом «эффективный гидродинамический режим» [1; 3-4; 7; 52]. Нами разработан метод сравнительной оценки активности гидродинамических режимов с использованием эксергетического анализа по величине эк-сергетических коэффициентов полезного действия [1-4; 7;17-20; 27; 30; 41]. Этот метод позволяет правильно выбрать гидродинамический режим сушки. 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. Эксерге-тический КПД является комплексным показателем для оценки гидродинамического режима и степени загрязнения окружающей среды тепловыми выбросами, которые характеризуют экологическую чистоту сушильной установки [1; 3-7; 11; 15; 17; 1920, 27; 30; 32; 44-47; 51].
Уравнение, связывающее эксергетические характеристики взаимодействующих материальных потоков, может быть получено на основе балансовых соотношений
0„ Лй + Жг = СЛ* (1)
Ом Ли =
мм I <
ср
Для сушильного агента, рассматриваемого в виде смеси абсолютного сухого газа и пара, на основе закона аддитивности можно записать
с с0
Дкс = о^с + кп Ахс Из уравнений (1) - (3) следует
Дй = о„ М
+ ^—Дх к + Дх к
5а 5а ср п ср п
(3)
(4)
Введем безразмерные комплексы
Lе = с0/а, g = Ос / Ом, (5)
п = 0Р / О Комплекс Le характеризует соотношение тепловых потоков, обусловленных теплообменом между сушильным агентом и влажным материалом, и теплотой, транспортируемой парами влаги. Безразмерную переменную процесса g можно рассматривать как относительную скорость сушильного агента, п - как аналог числа единиц переноса по газовой фазе.
С учетом безразмерных переменных (5) уравнение (4) преобразуем к виду
Дк = — Дк
с м
Еп
с
+
1 + ^
V 5,
Ах к
ср п
(6)
Де„
= Ле =■
1 - ЬеДе,
м
%пДес
(7)
Лэ =
К, п + К п
1 /е 2 /(
2 / сеп
(8)
2
Коэффициенты К1, К2 характеризуют относительный уровень ущерба, наносимого окружающей среде тепловыми и пылевидными загрязнениями.
Л сеп
ул
2
Л г =
1п(рех -Ар) - 1п Ро
(9)
(10)
где: Ахср- средняя движущая сила процесса массопереноса; ^хс- изменение влагосодержания сушильного агента; а- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2град); в- коэффициент массопереноса, кг/(м2с), 5 = Ыср / .
Учитывая, что в сушильной установке с активным гидродинамическим режимом наибольшим изменениям подвергается термическая составляющая эксергии взаимодействующих потоков, можно воспользоваться эксергетической температурной функцией для перехода от тепловых характеристик этих потоков к эксергетическим. В этом случае из уравнения (6) следует
Дес 'е (1 + Ье/5)АХр
Входящие в соотношение (7) безразмерные переменные Le, п связаны с кинетическими коэффициентами а и 0. Последние определяются степенью активности гидродинамической обстановки в аппарате.
Соотношение (7) позволяет путем сопоставления значений эксергетического КПД для различных вариантов активных гидродинамических режимов сделать вывод о целесообразности произведенных энергозатрат, тем самым выбрать оптимальный вариант, соответствующий наибольшему значению этого показателя.
Для более полной характеристики сушильной установки необходимо ввести в показатель ле составляющую, учитывающую энергозатраты, обусловленные выделением высушенного продукта из газовой фазы или на пылеочистку, независимо от того, проводится это процесс непосредственно в сушильном аппарате или вне его.
Тогда получим
1п Рвх - 1п р0
где рвх, р0, Др - 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) [7], но и в отношении удельного расхода энергии [1; 3-4. 7; 17-21; 23; 27; 30]. Разработанный метод оценки активности гидродинамических режимов позволяет среди альтернативных технических решений выбрать объективно наиболее эффективное. Используя этот метод нами для каждого класса приведенной выше классификационной таблицы рекомендован типовой аппарат, реализующий те гидродинамические режимы, которые являются активными при сушке материалов данного класса.
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.
Время опорожнения i -той группы пор
1 р,"" ■ ■ (1|)
Г = =-
| /V" " " ) = К, ДЦ
N Рм
где рм, рж - плотность абсолютно сухого материала и жидкости, удаляемой в процессе сушки; /у - функция распределения объема пор по диаметрам; К/ - коэффициент, обратно пропорциональный
средней скорости N1, удаления жидкости из /'-ой
группы пор; А и - содержание жидкости в материале, соответствующее заполнению пор диаметром от ^ до г
Продолжительность т'' удаления жидкости из микрокапилляров материала, имеющего разнопо-ристую структуру, можно определить из соотношения
1=п 1=п (12)
т-=1 Аи
¡=\ \ =1
Тогда общее время сушки пористого материала
(13)
т = т ' + Т " = т ' + £ К Аи
I=1
где т' - время удаления свободной влаги, обычно составляющее при активных гидродинамических режимах от долей секунды до 2-3 секунд.
Средняя скорость удаления влаги из каждой группы пор определена по кинетике сушки модельных материалов с разнопористой структурой (например, стирола МСН) в реальных аппаратах при разных температурах сушильного агента. Полученные данные в совокупности с величинами т', определенными нами с учетом термических характеристик по разработанной методике [1-5; 7; 14], позволили составить номограмму для расчета кинетики сушки любого материала без проведения опытов по сушке этого материала в реальных сушилках. Сопоставление расчетной кинетики с экспериментальной для 15 различных материалов подтвердило эффективность данного метода.
Порядок выбора сушильных аппаратов на основе комплексного анализа материала как объекта сушки с использованием классификационной таблицы и расчетной номограммы представлен на рисунке 1,
Рис. 1. Порядок выбора сушильных аппаратов на основе комплексного анализа материала как объекта
сушки (пояснения в тексте)
В приведенной схеме (рис. 1) использованы нижеследующие обозначения: d4 , d4 - эквива-
экв max
лентный и максимальный диаметр частиц; рч -плотность частиц материала; 0 - допустимая температура нагрева материала; ивш - скорость критическая, витания, рабочая частиц материала; Цн, Ц, Ui, Цмг - содержание жидкости в материале: начальное, конечное, соответствующее заполнению i-й группы пор, максимальное гигроскопическое содержание жидкости; G, Gw - производительность аппарата по сухому продукту и по испаренной жидкости; ß - угол естественного откоса; Ка-к - ранг ад-гезионно-аутогезионного коэффициента; L - расход сушильного агента; d^ - критический радиус пор; Эсв - энергия связи влаги с материалом; U = Дф) - изотермы сорбции и десорбции; a = f(U), X = f(U), c = f(U) - зависимости температуропроводности а, теплопроводности X, теплоемкости с материала от содержания жидкости; т, Т, Zn - время
сушки общее, время прогрева материала и суммарное время удаления жидкости из I групп пор, сушилки: циклонная (ЦС), комбинированные циклонная (КЦС) и аэрофонтанная (КАС), виброкипящего слоя (ВКС), труба-сушилка одноступенчатая (ТС-1) и двухступенчатая (ТС-2), проходящего кипящего слоя (СПКС), комбинированная сушилка безуносного типа с закрученными потоками (СВЗП-ВК) (встречные закрученные потоки - вихревая камера), кипящего слоя с вибрирующими поверхностями нагрева, погруженными в слой (КСВПН).Разработанная стратегия выбора была реализована применительно к сушке дисперсных материалов, так как до 80% подлежащих сушке материалов находятся в дисперсном состоянии [1-5; 7; 9; 28-30; 45-49; 51].
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. Для каждого класса разработанной классификационной таблицы дисперсных материалов как объектов сушки, приведенной выше, рекомендованы типовые аппараты, реализующие те гидродинамические режимы, которые являются активными при сушке материалов данного класса.
В связи с проблемой пылеочистки в последние годы были разработаны многофункциональные безуносные аппараты со встречными закрученными потоками и управляемой гидродинамикой (ВЗП) [1-5; 7; 21-23; 28-30; 41; 49; 51-52], которые могут быть рекомендованы в качестве нового поколения типовых аппаратов для материалов с критическим диаметром пор 60 А (с первого до четвертого класса материалов по приведенной классификации). Возможности сушилок ВЗП ограничены малым временем пребывания материала в аппарате, однако, в последнее время [1; 3-4; 7; 23-24; 26; 3233; 43-49; 51-52] удалось за счет нового гидродинамического режима - вращающегося кольцевого слоя увеличить время пребывания высушиваемого материала в аппарате в 5-6 раз, что позволило использовать аппараты ВЗП для сушки продуктов третьего и даже частично четвёртого классов по предложенному нами варианту классификации материалов как объектов сушки, т.е. на несколько тысяч наименований расширить ассортимент материалов, высушиваемых в СВЗП.
Учитывая, что качество высушенного продукта зависит как от среднего времени пребывания материала в аппарате, так и от спектра времен пребывания составляющих слой частиц в аппарате, одной из задач экспериментальных исследований режима вращающегося кольца было снятие кривых отклика на возмущение входного сигнала, позволяющих получить кривую распределения дисперсных частиц по времени пребывания в кольцевом слое. Кривые отклика снимались при внесении на входе аппарат возмущений в виде 5-функции. В качестве индикатора использовался подкрашенный тушью модельный материал с плотностью р = 1440 кг/м3 и диаметром d = 1,5 мм. Соотношение потоков по каналам = 1,0; общий расход L изме-
нялся от 0,08 до 0,1 м3/с. В процессе опытов
установка выводилась на режим устойчивого кольцевого слоя варьированием соотношения расходов газа по каналам при постоянном общем расходе. Затем включалась шнековая подача дисперсного материала. Предварительно в бункер шнекового питателя загружалась навеска модельного материала с прослойкой индикатора.
Вес подкрашенной прослойки варьировался в пределах 2 ^ 5 г, а производительность шнекового питателя изменялась в пределах от 3 до 10 г/с. Сбор дисперсного материала осуществлялся в тарированную стеклянную трубку. Предварительно перед опытом для заданной производительности шнекового питателя определялась цена деления в "г/с". По окончании опыта материал из трубки постепенно ссыпался на одно деление и определялась концентрация индикатора в нем весовым методом. Анализ и обработка экспериментальных кривых отклика, представленных на рис. 2., осуществлялась статистическим методом. Для этого определялись моменты первого и второго порядка, характеризующие среднее время пребывания и дисперсию, по формулам:
^ г (14)
_ С,
т =
,=1
1С,
,= 1
!т2 ■ с,
52 = ^--(т)2
(15)
п
1С
1=1
Безразмерная дисперсия рассчитывается по формуле:
5:2 (16)
2 2 5
т
Число ячеек гидродинамической модели аппарата оценивалось по величине как:
1 (17)
П я =
5
С, %) \ 25 -
10 20 30 40 50 т, с
Рис. 2. Кривые отклика на импульсное возмущение входного сигнала:
1 Ь = 0,08 м3/с; 2 - Ь = 0,09 м3/с; з- Ь = 0,10 м3/с.
Представленные на рис. 2 данные свидетельствуют о том, что при соотношении расходов газа по каналам L2 /Ll=1,0 и увеличении общего расхода газа от 0,08 до 0,1 м3/с среднее время пребывания материала в аппарате увеличивается с 22 до 31 секунды. Это в 5 ^ 6 раз больше, чем при традиционных режимах, что вполне достаточно для высушивания ПВХ (необходимое время сушки для получения даже первого сорта с остаточной влажностью 0,1 % составляет 15 сек) и других дисперсных материалов с критическим размером пор порядка 60А. Следует отметить, что в процессах обработки дисперсных материалов, к которым относится и сушка (в отличие от процессов смешения), необходимо стремиться к получению узкого спектра времен пребывания обрабатываемых частиц в аппарате, обеспечивающего равномерную обработку. Оценка
спектра времен пребывания может быть получена на основе С- кривых отклика, снятых в процессе экспериментов. На рис. 3 представлена С- кривая отклика для аппарата СВЗП в режиме вращающегося кольца при разных расходах L в безразмерных координатах в сопоставлении с кривыми отклика аппарата ВЗП, работающего в традиционном режиме (без образования кольца), аппарата кипящего слоя и аппарата идеального смешивания.
Представленные данные показывают, что число условных ячеек пя, характеризующих гидродинамическую обстановку в аппарате, составляет для кипящего слоя 1,5 ^ 2, для аппарата ВЗП в обычном режиме - от 3 до 4, а для СВЗП в режиме кольцевого слоя - от 6 до 8.
Рис. 3. С-кривые отклика для аппарата идеального смешения (1), КС (2), ВЗП (3), СВЗП в режиме вращающегося кольца при разных
расходах I (О- 0,12 м V С; А- 0,10 м3/ С; •-0,09 м3/ С; *-0,08 м3/ С; (4)
Полученные оценки параметра Пя гидродинамической структуры потоков в аппарате свидетельствуют о возможности реализации более равномерной сушки дисперсных материалов в режиме вращающегося кольца по сравнению с обычным
режимом аппарата ВЗП, и тем более по сравнению с аппаратами кипящего слоя. Так например в сушилках кипящего слоя не удается получить поливи-нилхлорид суспензионный (ПВХ) выше второго
сорта, а в режиме кольцевого слоя возможно получение ПВХ 1 сорта.
Заключительной стадией процесса сушки дисперсных материалов в аппаратах ВЗП является сепарация готового продукта из сушильного агента. В сушилках ВЗП сушка и улавливание осуществляются одновременно. Исследование процесса улавливания высушенных во вращающемся кольце дисперсных частиц проводилось на основе численных экспериментов для типовой конструкции аппарата ВЗП. В процессе опытов варьировались дисперсный состав продукта, расходы газовой фазы по каналам и их соотношение. Результатом численных экспериментов являлись функции распределения частиц заданного размера по радиусу и высоте аппарата. По ним, в соответствии с разработанным нами численным алгоритмом определялась эффективность улавливания. В качестве закона распределения твердых частиц на входе в рабочую часть сушильной камеры принималось их нормальное распределение в кольцевом зазоре, соответствующем геометрическим размерам кольцевого слоя. Закон распределения случайных воздействий на твердые
частицы моделировался также нормальным распределением с параметрами N (0,2). Расчеты проводились для соотношения расходов газа по каналам в переделах 0,7 ^ 1,1. Указанный диапазон соответствует оптимальной с точки зрения реализации процесса сушки области гидродинамических параметров аппарата ВЗП.
На рис. 4 и 5 представлены результаты численных экспериментов для аппарата СВЗП-150. Указанные результаты были сопоставлены с результатами исследований эффективности работы сепаратора ВЗП-150 [1-5; 7: 14; 16-17; 21-23; 28-29; 32]. Сопоставление интегральных показателей эффективности свидетельствует об их удовлетворительном согласовании (расхождение не превышает 7 %). Учитывая, что исследованные параметры процесса оказывают совместное воздействие на эффективность работы сушилки ВЗП, на рис. 6 и рис. 7 представлены результаты комплексного анализа влияния гидродинамических параметров процесса на структуру потоков в аппаратах ВЗП, работающих в режиме образования вращающегося кольца дисперсных частиц.
Рис. 4. Результаты численных экспериментов процесса сепарации:
1 - т = 0; 2 - Х = 0,3; 3 - Х = 0,1; 4- Х = 0,6; 5 - Х = 0,8; 6- X = 0,9; 7- X = 1,0; 8- Х = 1,1; X = т/т .
О 3 6 в 12 13 Ы, мкм
Рис. 5. Зависимость эффективности сепарации твёрдых частиц в СВЗП от гидродинамического режима (): 1 — Ь 2/Ь 1 = 1,8; 2 — Ь 2/Ь 1 = 1,5;
3 — Ь = 0,12 м3/с Ь^ = 1,1; 4 — Ь 2/Ь1 = 0,8.
Как следует из представленных данных, наиболее благоприятной рабочей областью является диапазон соотношения расходов газовой фазы по каналам Ь 2/Ь 1 = 0,7 — 1,1. В этой области при высокой степени улавливания (99 %) готового продукта достигается максимальная удерживающая способность и, соответственно, наибольшее время пребывания материала в аппарате.
Следует отметить, что, не смотря на то, что, как и следовало ожидать, локальные оптимумы по сепарации сушки (с точки зрения удерживающей способности и времени пребывания) не совпадают, тем
не менее, можно выделить рациональный диапазон L2 /^=0,7 —1,1, обеспечивающий требуемое качество продукта. Действительно, в этой области, выделенной на рисунках штриховкой, достигается высокая степень сепарации частиц (порядка 99 %) при среднем времени пребывания порядка 25 с и узком спектре времен пребывания частиц в аппарате. Все это обеспечивает хорошую равномерность сушки дисперсных частиц и получение высококачественного кондиционного продукта.
Рис. 6. Зависимости времени пребывания и эффективности улавливания дисперсных частиц от гидродинамических параметров СВЗП:--эксперимент;----расчёт.
Рис. 7. Зависимости порозности и относительной высоты кольцевого слоя от гидродинамических параметров СВЗП:--эксперимент;----расчёт.
Таким образом, экспериментальное исследование структуры потоков безуносных сушилок ВЗП позволило выявить рациональную область гидродинамических параметров процесса, обеспечивающих эффективную сушку дисперсных продуктов
группы ПВХ, а также получить количественные оценки параметров разработанных математических моделей.
Рис. 8. Схема экспериментальной установки: 1 — аппарат ВЗП; 2,3 — патрубки нижнего и верхнего ввода; 4 — выхлопная труба; 5 — лопаточный завихритель; 6 — отбойная шайба; 7—ротаметры; 8 — шнековые питатели; 9, 10 — контрольные циклоны; 11 — фильтр санитарной очистки; 12 — диафрагма; 13 — водокольцевой насос; 14, 15 — регулировочные вентили входа и выхода газа; 16 — калорифер.
Сушилки с встречными закрученными потоками находят все возрастающее применение для сушки дисперсных материалов с одновременным улавливанием пылевой фракции. Важнейшими характеристиками сушилок ВЗП, определяющими эффективность протекающих в них тепломассооб-менных процессов являются удерживающая способность и порозность слоя дисперсных частиц. Указанные характеристики взаимосвязаны и определяются как геометрическими характеристиками слоя, так и гидродинамическими параметрами процесса. Опыты по оценке удерживающей способности вращающегося кольца дисперсных частиц проводились на специально созданной экспериментальной установке (рис. 8).
Устанавливался в соответствии с планом исследований необходимый общий расход газа через аппарат и варьированием расходов газа по каналам достигался один из режимов вращающегося кольца. Включалась подача дисперсного материала. Осуществлялось визуальное наблюдение за образовавшимся кольцом дисперсных частиц. Скорость подачи материала составляла 8 кг/ч. В момент, когда наблюдался срыв частиц в нижнюю часть рабочей камеры опыт прекращался. По производительности шнекового питателя подсчитыва-лось количество твердой фазы, введенной в аппарат
за время опыта. Разность между этой величиной и массой материала, попавшей в сборный бункер аппарата составляла массу частиц, удерживаемых в кольце. Знание этой массы и геометрических размеров кольца позволяет определить порозность слоя по формуле:
Е = 11
тк/ Г
V,,
(18)
где тк — масса частиц, удерживаемых в кольце, Ук — объем кольцевого слоя.
Как показали результаты проведенных исследований, удерживающая способность и порозность вращающегося кольца дисперсных частиц зависят от соотношения расходов газа по каналам и характеристик обрабатываемого материала.
На рис. 9 представлены результаты опытов по исследованию удерживающей способности кольца дисперсных частиц. Они свидетельствуют, что наиболее благоприятная рабочая область изменения гидродинамических параметров соответствует диапазону изменения Ь ^ / Ь ^ от 0,7 до 1,1.
Рис. 9. Зависимость удерживающей способности кольца от гидродинамических параметров при
Ь = 0,12 м3/С:
о — р = 1200 кг/м3 (ПВХ); А — р= 1400 КГ/м3 (сополимер стирола).
Расчеты порозности слоя по приведенному выше соотношению показывают, что при изменении соотношения Ь 2 / Ь 1 в диапазоне от 0,2 до
1,8 при неизменном общем расходе газа порозность слоя изменяется по кривой с минимумом, который составляет 0,6 — 0,7, а значение максимальной порозности доходит до 0,9. При соотношении расходов газа по каналам Ь2/ Ьг = 0,1 — 0,5 порозность составляет 0,8 — 0,90. Этот режим соответствует режиму работы аэрофонтанных сушилок. Опыты показывают, что данный режим сопровождается уносом дисперсных частиц в выхлопную трубу.
Дальнейшее увеличение соотношения Ь2/ приводит сначала к уменьшению порозности слоя до значения 0,6 — 0,7 (при ¿2/ Ьг = 0,7 — 1,1), а затем снова к росту этого показателя. Обобщенная характерная зависимость порозности кольцевого слоя от параметров процесса приведена на рис. 10. Численная обработка результатов экспериментов по исследованию геометрических характеристик кольцевого слоя и его порозности в соответствии с предложенными для них расчетными соотношениями [1-5; 7; 14; 16; 21-22] позволили получить количественные оценки используемых параметров.
Рис. 10. Зависимость порозности кольцевого слоя от гидродинамических параметров процесса
(р= 1200 кг/м3): Ь = 0,09 м3/с; А — Ь = 0,10 м3/с; * — Ь = 0,12 м3/с.
На рис. 11 представлены зависимости характеристик кольцевого слоя от гидродинамических параметров процесса, полученные экспериментально (сплошная линия) и на основе предложенных расчетных соотношений (пунктирная линия). При этом для получения обобщенных зависимостей используются безразмерные геометрические характеристики. В качестве масштаба принят диаметр аппарата. Представленные данные свидетельствуют
об удовлетворительном соответствии экспериментальных и расчетных зависимостей. Показана возможность вполне корректно рассчитывать параметры процесса сушки для режима образования вращающегося кольцевого слоя, что позволяет рассчитывать процесс сушки дисперсного материала в условиях управляемой гидродинамики процесса при высокой эффективности процесса сушки и обеспечении безуносного режима сушки по пылевой фракции.
г Ы/д
Рис. 11. Графические зависимости сопоставительного анализа характеристик кольца дисперсных
частиц:--эксперимент;----расчёт.
Вид кинетического уравнения процесса сушки зависит как от структуры и свойств обрабатываемого материала, так и от условий организации процесса (характера и формы взаимодействия сушильного агента и материала).
Для описания кинетики сушки воспользуемся известным обобщённым уравнением массопере-дачи в форме:
аи
а Т
= -К (А - и )(и - В) •
(19)
аи а т
влагосодержаниям А и В. Максимальная ско-
рость сушки
соответствует точке пере-
а т
гиба графика функции
аи а т
= I ( Т)
. Абсцисса
точки перегиба графика этой функции находится из
условия
а 2и а т2
= о и равна:
График этой зависимости имеет S- образный характер и, в общем случае, имеет две горизонтальные асимптоты, соответствующие равновесным
и =-
А + В
2
(20)
При этом величина максимальной скорости составляет:
= К (А-и )(и - В) = К
А - В 2
. 2
(21)
Равновесные влагосодержания А и В характеризуют и конечное состояние равновесия системы "влажное тело-сушильный агент". Оценку
параметру В можно найти из изотермы десорбции
материала, значение А удобно вычислять по формуле, вытекающей из соотношения (20):
А = 2П - В (22)
*
Одним из достоинств обобщённого уравнения массопередачи (20) является неизменность кинетического коэффициента К , что позволяет проинтегрировать это уравнение и получить формулу для
а {г-© т) л а21 =%а
оценки длительности сушки, необходимой для достижения требуемого эффекта в заданных условиях. Эта формула имеет вид:
Т = ■
1
1п
(ип - В)(А - и). (23)
6
К (А - В) (А - ип )(и - В)
Зависимость кинетического коэффициента от режимных параметров процесса сушки может быть найдена из теплового баланса процесса в момент, когда скорость сушки достигает своего максимального значения и . В этот момент всё подведённое *
к дисперсной частице тепло идёт на испарение влаги, то есть, имеет место равенство:
3 (аи Л
-Рм Гп — • (24)
V
аг
л
тах
тах
Из (21) и (24) следует соотношение для оценки кинетического коэффициента К , определяющего интенсивность процесса сушки:
к_ 24а (г-0м)/ а Рм Г, (А - В )2
Из (25) следует, что наибольшее влияние на К оказывают гидродинамическая обстановка (через а) и температура теплоносителя /. На практике для оценки коэффициента теплоотдачи от сушильного агента к материалу используется критериальная зависимость:
0,52 _ 0,33
ККи = 2 + 0,51Яе , Рг ,
(26)
В соответствии с (24) и (25) получаем уравнение для определения времени сушки материала в заданных условиях:
й Рм Гп (А - В) и - в )(А -и)
т =-1п-
24 а( г-©м) / (А-ин )(и - В )
(27)
Согласно полученному выражению (27) кинетика сушки определяется режимом процесса (а, г) и свойствами обрабатываемого материала
(й,Рм А, В ).
Для расчета таких аппаратов по предложенному нами методу, основанному на использовании обобщенного уравнения массопередачи Сажина-Ре-утского, необходимо получить некоторые из кинетических характеристик для высушиваемого продукта. Форма кинетических кривых, как правило, имеет вид 5— образной кривой.
Для определения параметров кинетического уравнения, описывающих 5—образную кривую
необходимо знать коэффициент теплоотдачи а у
от сушильного агента к материалу для получения количественной оценки регрессионной зависимости Ки у = / (Яе), по которой оценить объемный
коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к материалу и определить параметры обобщенного уравнения (19) для массопередачи. График этой зависимости имеет S - образный характер и, в общем случае, имеет две горизонтальные асимптоты, соответствующие равновесным влагосодержаниям А и Б. Кинетический коэффициент скорости К, как следует из результатов теоретических исследований, может быть найден из теплового баланса для частиц высушиваемого материала в момент времени, когда скорость сушки максимальна. В этом случае температура материала близка к температуре мокрого термометра.
Вид кинетического уравнения процесса сушки зависит как от структуры и свойств обрабатываемого материала, так и от условий организации процесса (характера и формы взаимодействия сушильного агента и материала) [7; 14; 17; 36].
Зависимость кинетического коэффициента К (определяющего интенсивность процесса сушки) от режимных параметров процесса согласно уравнению (25) в наибольшей степени определяется гидродинамической обстановкой (через а ) и температурой теплоносителя г , а кинетика сушки (в соответствии с уравнением (23) для расчета времени процесса) - режимом процесса (а, г) и свойствами обрабатываемого материала (й,р А,В ).
Для выбора и расчета типовых аппаратов с взвешенным слоем, наилучшим образом соответствующих поставленной технологической задаче, разработаны обобщенные коды: технологические
задачи и их решение, в которых содержится информация о степени трудности технологической задачи по сушке данного материала (диффузионном сопротивлении при сушке данного материала, его ад-гезионно-аутогезионных свойствах, наличии или отсутствии пылевой фракции), а также информация об оптимальном решении этой задачи (рациональный тип сушилки, тип питателя сушильного аппарата, наличие и тип специального пылеуловителя в составе сушильной установки, наличие или отсутствие замкнутого цикла теплоносителя).
Авторами разработаны рациональный состав и коды сушильных установок для всех классов влажных дисперсных материалов. Основой для выбора сушильной установки является шифр материала по новой классификации влажных дисперсных материалов как объектов сушки В.Б. Сажина. Полный код решения поставленной технологической задачи, по-видимому, должен характеризовать не только сушильный аппарат, но и всю сушильную установку, то есть должны быть указания на тип важнейшего комплектующего оборудования - тип питателя влажного материала и пылеуловителя, тем более что из хода технологической задачи ясно, что высушиваемый материал имеет пылевидную фракцию. Авторами с учениками разработаны таблицы и коды основных загрузочных устройств и пылеуловителей для сушильных установок применительно к сушке дисперсных материалов. Авторы доказали, что вместо многотомных пояснительных записок (с чертежами, графиками и таблицами), проектировщик может передать заказчику лишь строчку с полным кодом сушильной установки, которая будет нести всю необходимую информацию для комплектации промышленной сушильной установки. Учитывая, что в промышленности имеется недоиспользуемый парк типового оборудования (в прошлом массово выпускаемого крупными сериями), конкретный типоразмер основной и вспомогательной аппаратуры легко подбирается по требуемой производительности сушильного отделения.
На основании изложенного можно утверждать, что разработана стратегия выбора рационального аппаратурно-технологического оформления процесса сушки, реализованная применительно к сушке дисперсных материалов во взвешенном слое. Выбор рационального аппаратурно-технологиче-ского оформления процесса сушки любого дисперсного материала 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.
Литература
1. B. Sazhin and V. Sazhin Scientific Principles of Drying Technology /New York -Connecticut-Wallingford (U.K.): Begell House Inc.-2007.-506 PP.
2. Сажин Б.С. Научные основы техники сушки / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. -М.: Наука, 1997.448 с.
3. Сажин В.Б. Научные основы стратегии выбора эффективного сушильного оборудования/ В.Б. Сажин, Б.С. Сажин. М.: Химия, 2013, 544 с., ил.
4. Сажин В.Б. Научные основы термовлаж-ностной обработки дисперсных и рулонных материалов/ Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. М.: Химия, 2012, 776 с., ил.
5. Сажин Б.С. Основы техники сушки/ Б.С. Сажин.- М.: Химия, 1984.- 320 с.
6. Сажин, В.Б. Математическая модель процесса сушки сыпучих продуктов в псевдоожижен-ном слое/ В.Б. Сажин, А.А. Ойгенблик, И.Н. Дорохов и др. // Промышленная теплотехника/АН БССР, 1985, № 6, т. 7, с. 40-46 .
7. Сажин В.Б. Научные основы техники сушки дисперсных материалов при эффективных гидродинамических режимах взвешенного слоя. Дисс... доктора техн наук. М., РХТУ, 2000. Т. 1 - 617 с., Т. 2 - 203 с.
8. Сажин В.Б. Моделирование и расчёт процесса сушки в аппаратах псевдоожиженного слоя//Моделирование и оптимизация процессов сушки (ред. Кафаров В.В., Дорохов И.Н.). Итоги науки и техники, вып. №15. М.: ВИНИТИ. 1987. С. 25-42.
9. Макрокинетика и кинетика процессов сушки сыпучих продуктов в псевдоожиженном слое/ А.А. Ойгенблик, Б.А. Корягин, В.Б. Сажин и др. // Сушильное оборудование для химических производств: Сб. науч. тр. М.: НИИХИМИМАШ. 1987. С. 64-72.
10. Моделирование кинетики сушки полидисперсных частиц различной формы (Ансамбль частиц)/ А.А. Ойгенблик, В.Б. Сажин, Т.А. Соловьева // Межвуз. сб. науч. тр. МХТИ им. Менделеева. Иваново, 1988. С. 110-114.
11. Метод исследования кинетики сушки сыпучих продуктов в псевдоожиженном слое/С.В. Сорокин, В.Б. Сажин //Аппараты с неподвижными и кипящими слоями в хлорной промышленности: Сб. науч. тр. /ГосНИИхлорпроект. М.: НИИТЭхим, 1988. С. 106-111.
12. Гидромеханические и диффузионные процессы / Б.С. Сажин, Л.И. Гудим, В.А. Реутский.- М.: Легпромбытиздат, 1988.- 200 с.
13. Сушка сыпучих продуктов в аппаратах с горизонтальными кипящими слоями /А.А. Ойген-блик, Т.А. Соловьева, В.Б. Сажин и др.// Информ. бюлл. по хим. пром. №4 (121), НИИТЭхим, 1988. С. 36-45.
14. Моделирование кинетики сушки полидисперсных частиц различной формы (одиночная ча-
стица)/Ойгенблик А.А., Сажин В.Б. и др.// Процессы в зернистых средах: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново, 1989. С. 58-62.
15. Время сушки сыпучих продуктов в условиях псевдоожиженного слоя / А.А. Ойгенблик, Б.А. Корягин, В.Б. Сажин и др.//Химическая промышленность, №11, 1989. С. 66-72 (866-872).
16. Сажин В.Б. Применение термодиагностических микропроцессорных комплексов для автоматизации научных исследований/ В.Б. Сажин, I. Seldin, Бойцев П.Н. и др. // М.: ЦНИИТЭИлегпром.
1989. С. 31-35.
17. Сажин В.Б., Ойгенблик А.А., Корягин Б.А. и др. Моделирование кинетики сушки полидисперсных частиц различной формы// Сб. науч. тр. МХТИ им. Менделеева. - М.: Изд-во МХТИ, 1990. С. 46-50.
18. Сажин Б.С. Сушка и промывка текстильных материалов: теория и расчет процессов /Б.С. Сажин, В.А. Реутский. -М.: Легпромбытиздат,
1990.- 224 с.
19. Сажин Б.С. Эксергетический метод в химической технологии / Б.С. Сажин, А.П. Булеков.- М.: Химия, 1992.- 208 с.
20. Сажин Б.С. и др. Вихревые пылеуловители /.- М.: Химия, 1995.- 144 с.
21. Оценка эффективности работы аппаратов с активным гидродинамическим режимом на основе их эксергетических характеристик/ Б.С. Сажин, А.П. Булеков, Сажин В.Б. // ТОХТ. 1999. Т. 33. №5. С. 521-527.
22. Разработка методов расчёта и повышения эффективности энергоёмких процессов отделочного производства/ А.П. Булеков, В.Б. Сажин //Успехи в химии и химической технологии. XIII, 5, 1999. С. 12-14.
23. Сажин Б.С. Эксергетический анализ работы промышленных установок / Б.С. Сажин, А.П. Булеков, В.Б. Сажин. -М.: МГТУ, 2000.- 297 с.
24. Сажин Б.С. Энергосберегающие процессы и аппараты текстильных и химических предприятий / Б.С. Сажин, М.П. Тюрин.- М.: МГТУ, 2001.311 с.
25. Сажин В.Б. Выбор и расчет аппаратов с взвешенным слоем / В.Б. Сажин, М. Б. Сажина. - М.: РОСЗИТЛП, 2001.- 336 с.
26. Сажин В.Б. Сушка в закрученных потоках: теория, расчет, технические решения / В.Б. Сажин, М. Б. Сажина.- М.: РОСЗИТЛП, 2001.- 324 с.
27. Выбор эффективной сушильной установки с взвешенным слоем для дисперсных материа-лов/Сажина М.Б., Сажин В.Б. и др. // Известия вузов: Технология текстильной промышленности №5 (274), 2003. С. 98-102.
28. Сажин, В.Б. Анализ основных характеристик влажных материалов как объектов сушки / В.Б. Сажин, М.Б. Сажина, Б.С. Сажин. // Известия вузов: Химия и химическая технология, Том 48, №12, 2005. С. 98-104.
29. Моделирование процесса сушки твёрдого материала / Е.П. Запорожец, Л.П. Холпанов, В.Б. Сажин// ТОХТ, 1997, том 31, №4, с. 638-653.
30. Сажин, В.Б. Анализ основных подходов к классификации материалов как объектов сушки/ В.Б. Сажин, М.Б. Сажина, Б.С. Сажин. //Известия вузов: Химия и химическая технология, Том 48, №5, 2005. С. 99-104.
31. Сажин В.Б. Анализ энергозатрат в промышленном тепломассообменном
оборудовании/ Сажин В.Б., Сажин Б.С. и др.//Деловая слава России. М.: Славица. 2006. С. 8085.
32. Численный расчёт радиальных течений в пылеуловителе со встречными закрученными пото-ками/А.С. Белоусов, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин и др. // Успехи в химии и хим. технологии. Т. XIX. № 10 (58). 2005. С. 74-76.
33. Метод расчёта эффективности разделения в аппаратах с встречными закрученными потоками/
A.С. Белоусов, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин и др. // Успехи в химии и хим. технологии.-Том ХХ.-2006. №10 (68). С. 45-48
34. Сажин В.Б. Исследование теплоутилиза-тора кипящего слоя с вихревыми распылительными устройствами/ О.С. Кочетов, В.Б. Сажин и др.// Успехи в химии и хим. технологии.- Том ХХ11.-2008.-№6 (86).- С. 119-123.
35. Сажин В.Б. Изучение влияния размеров частиц и их теплофизических свойств на величину продольного перемешивания/ В.Б. Сажин // Успехи в химии и химической технологии. Т. XVII. № 8 (33). 2003. С. 93-99.
36. Оценка эффективности и алгоритм расчёта центробежных пылеуловителей для технологических процессов/ М.Б. Сажина, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин и др.// Технология текстильной промышленности. №3 (272), 2003. С. 108-112.
37. Сушилки взвешенного слоя с управляемой гидродинамикой/ М.Б. Сажина, В.А. Углов, В.Б. Сажин и др. // Известия вузов: Технология текстильной промышленности №4 (273), 2003. С. 9295.
38. Сажин В.Б. Использование микропроцессорного комплекса для исследования кинетики сушки в режиме автоматизированного эксперимента/ Сажин В.Б. и др.//УП Международный симпозиум по сушке. Польша. Лодзь. 1991.
39. Сажин В.Б. Автоматизированная экспресс-диагностика прочностных характеристик / В.Б. Сажин, I. Seldin, О. Seldin и др.// VI Национал. конф. по механике и технологии композиционных материалов. Болгария. Варна. 1991.
40. Исследование математической модели процессов сушки на основе системы дифференциальных уравнений сопряжённого тепло - и массооб-мена применительно к задачам режимно-конструк-тивной оптимизации/ Б.С.Сажин, Ю.М. Ермишин,
B.Б. Сажин и др.: сб. науч. тр. II межд. минского форума по тепло-массообмену. Минск, 1992.
41. Расчёт и интенсификация тепло-массооб-менных процессов химической технологии в текстильной промышд. Б.С. Сажин, М.Б. Сажина, В.Б.
Сажин и др. //Успехи в химии и хим. технологии. Т. XVII. № 5 (30). 2003. С. 102-107.
42. Сажин В.Б. Численный алгоритм для оценки размеров готового продукта в аппаратах со взвешенным слоем инертного материала/ В.Б. Сажин, А.П. Булеков и др. //Успехи в химии и хим. технологии. XIII, 5, 1999. С. 46-49.
43. Сажин В.Б. Структурно-механические характеристики дисперсных материалов как объектов сушки/ В.Б. Сажин, Ил.Р. Фирсаев, Ю.А. Геллер //Успехи в химии и химической технологии. XIV, 3, 2000. С. 83-86.
44. Сажин В.Б. Анализ теплопроводности для влажных дисперсных материалов/ В.Б. Сажин, I. Seldinas, O. Seldinas. // Успехи в химии и химической технологии. Том XV. 2001, №1. С. 33-37.
45. Математическое моделирование движения газа в сепарационной зоне прямоточного вихревого аппарата на основе (кт-е)-модели турбулентности/ Б.С. Сажин А.В. Акулич, В.Б. Сажин // ТОХТ. 2001, том 35, № 5, с. 472-478.
46. Установка для теплофизического анализа влажных дисперсных материалов импульсным методом плоского источника тепла/ В.Б. Сажин, I. Seldinas, O. Seldinas //Успехи в химии и хим. технологии. Том XV. 2001, №1. С. 37-41.
47. Сажин В.Б., Сажин Б.С., Сажина М.Б. и др. Оптимизация аппаратурного оформления сушильных процессов в технике взвешенного слоя // Успехи в химии и химической технологии. Том XXI. 2007. №1 (69). С. 49-65
48. Сажин Б.С. Научные основы сушильной техники с активными гидродинамическими режимами Сажин Б.С., Сажин В.Б. и др. // Успехи в химии и химической технологии. Том XXI. 2007. №6 (74). С. 115-123.
49. Сушилка для полидисперсных материалов / Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, В.Б. Сажин и др.- Патент на полезную модель №68370 от 14.05.2007.
50. Установка для сушки полидисперсных материалов / Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, В.Б. Сажин и др.- Патент на полезную модель №68371 от 14.05.2007.
51. Основные проблемы сушки дисперсных материалов, научно-практический анализ и реше-ние/Б.С. Сажин, В.Б. Сажин // Успехи в химии и химической технологии.- Том XXII.-2008.- №1 (81).-С. 98-111.
52. Сушка в активных гидродинамических режимах/ Б.С. Сажин, В.Б. Сажин, Е.В. Отрубянников и др.//ТОХТ, 2008, том 42, №6, с. 638-653.
53. Сажин В.Б. Изучение реологических свойств сыпучих продуктов как объектов сушки/ Иг. Р. Фирсаев, В.Б. Сажин, М.Б. Сажина //Успехи в химии и химической технологии. XIV, 3, 2000. С. 79-82.
