CC BY
34
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 66.047
С. Ю. Игнатьева, В. Ф. Мадякин, Р. Ф. Гатина, А. Ю. Осипова
ТЕРМО-ВАКУУМ-ИМПУЛЬСНАЯ СУШКА МОДЕЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ МАРКИ Э-2
Ключевые слова: конвективная сушка, термо-вакуум-импульсная сушка, время сушки, влажность.
Одной из наиболее длительных технологических операций производства изделий на основе целлюлозы марки Э-2 является фаза конвективной сушки, которая на заводах занимает 6-8 часов при Т=70С. Предлагаемая сушка термо-вакуум-импульсной технологией в различных режимах позволяет в разы сократить время этой операции.
Keywords:convective drying,thermo-vacuum-pulsedrying,times during,humidity.
One of the longest production process operations corps of products based on cellulose is convective drying phase, which in the plants takes 6-8 hours at T = 70C. Proposed drying thermo-vacuum-pulse technology in various modes allows to reduce times during this operation.
Самой длительной технологической операцией производства изделий на основе целлюлозымарки Э-2 является сушка, которая занимает до 90% по длительности от общего времени изготовления. Изделия на основе целлюлозы в заводских условиях сушат 6-8ч при Т=70С конвективным продувом воздухом. Это требует больших затрат энергии, и приводит кповышению себестоимости и удорожанию продукции.
На основании ранее проведенных исследований была разработана термо-вакуум-импульснаятехнология (ТВИ-технология) сушки, котораяпо критерию «стоимость - эффективность» относится к энергосберегающим[1].
Процесс ТВИ-сушки основан на кратковременном, повторяющемся воздействии нагрева и вакуума на увлажненный материал с целью удаления содержащейся в нем избыточной влаги[2]. Для отработки и оптимизации технологических процессов, для оценки адекватности использовались образцы, имитирующие заводские изделия.
Образцы состояли из 75% качественной конденсаторной целлюлозы марки Э-2, имеющей низкую зольность и сорность, с добавлением 25% поливинилацетата и сульфата алюминия в соотношении 1:1 от поливинилацетата. Они содержали около 500% воды и имели вид шайбыс диаметром 80мм и толщиной 6-5мм.
Образцы помещались в ТВИ - установку с обогреваемой формой (Ф), представленную на рис.1.
Работа и описание ТВИ-установки приведены в [3]. Сушка экспериментальных образцов проводилась следующими режимами:
Режим Ф+КС+ТВИС- нагрев осуществляется конвективным способом(КС) до требуемой температуры с одновременным нагревом до этой температуры воронки Бунзина(Ф)куда помещался изучаемый образец. В линии вакуумирования это время
набирается вакуум до значения -.5кПа. Затем осуществляется импульсное вакуумирование(ТВИС) в течение 5 минут. Количество циклов устанавливается индивидуально в зависимости от содержания влаги. Сушку ведут до постоянного веса.
Рис. 1 - Экспериментальный стенд для отработки термо- вакуум- импульсных технологий: 1 - Воронка Бунзена с рубашкой, 2 - крышка, 3 - колба Бюнхера, 4 - воздухонагреватель, 5- термостат, 6 - ресивер, 7 - вакуумный насос,
8 - восьмиканальный измеритель-регулятор,
9 - компьютер, 10 -термопары, 11 - датчик давления, 12 - электромагнитный клапан, 13 - исследуемый образец
Режим Ф+ТВИП+ТВИС - нагрев осуществляется ТВИ - прососом (ТВИП) горячего теплоносителя через толщу материала с одновременным нагревом до этой температуры воронки Бунзи-на(Ф)куда помещался изучаемый образец. Сначала набирается вакуум 5кПа. При достижении требуемого значения отрицательного давления включается промышленный фен с Т=50-700С, а затем осуществляется импульсное открытие электромагнитного клапана. Время нагрева ТВИ-прососом материала выбирается индивидуально и зависит от его влажности. Для осуществления ТВИ -сушки (ТВИС) от-
ключается линия нагрева и набирается вакуум до значения остаточного давления 5кПа. После достижения требуемого значения вакуума осуществляется импульсное вакуумирование в течение 5 минут. Количество циклов (нагрев - вакуумирование) ведут до достижения постоянной массы материала.
Ф+ТВИП - сушка осуществляется ТВИ-прососом горячего теплоносителя (ТВИП) через толщу материала в течение 5 минут с одновременным нагревом до этой температуры воронки Бунзи-на(Ф)куда помещался изучаемый образец. Количество импульсов зависит от влажности материалаиу-станавливается индивидуально до достижения постоянного веса образцов.
На рис. 2 представлены кривые различных способов сушки модельных образцов изделий наос-нове целлюлозы марки Э-2 при Т=500С.
Средняя скорость удаления влаги сушки ТВИ - способом в режиме (КС+ТВИС) равна Wср=3,9%/мин. А средняя скорость удаления влаги сушки ТВИ -способом в режиме (ТВИП+ТВИС) составляет Wср=6,9%/мин. Наиболее интенсивным способом сушки является ТВИ - способ сушки в режиме (ТВИП). Средняя скорость удаления влаги в режиме (ТВИП) составляет Wср=12%/мин. Таким образом, конвективная сушка при Т=1100С менее интенсивная в 1,31 раз ТВИ-сушки в режиме (КС+ТВИС) при Т=700С, в 2,3 раз ТВИ-сушки в режиме (ТВИП+ТВИС) и в 4 раза ТВИ-сушки в режиме (ТВИП) при Т=700С.
Рис. 3 -Сравнение кривых различных способов сушки модельных образцов (МО) при 70С
Рис. 2 - Сравнение кривых различных способов сушки модельныхобразцов (МО)приТ=500С
Из рис. 2 следует, что несмотря на повышенную в 2 раза температуру (Т=1100С) наименее эффективным способом сушки образцов является конвективный .Средняя скорость удаления влаги составляет при этом Wср=2,97%/мин. Он самый длительный и энергозатратный. Более интенсивными способами сушки являются ТВИ режимы. Средняя скорость удаления влаги сушки ТВИ - способом в режиме (КС+ТВИС) равна Wср=3,4%/мин. А средняя скорость удаления влаги сушки ТВИ -способом в режиме (ТВИП+ТВИС) составляет Wср=5,4%/мин. Наиболее интенсивным способом сушки является ТВИ - способ сушки в режиме (ТВИП). Средняя скорость удаления влаги в режиме (ТВИП) составляет Wср=10,4%/мин. Таким образом, конвективная сушка при Т=1100С менее интенсивная в 1,14 раз ТВИ-сушки в режиме (КС+ТВИС) при Т=500С, в 1,8 раз ТВИ-сушки в режиме (ТВИП+ТВИС) и в 3,5 раз ТВИ-сушки в режиме (ТВИП) при Т=500С,
Увеличение температуры нагрева влажны-хобразцов изделий на основе целлюлозымарки Э-2 приводит к увеличению скорости влагоудаления при прочих равных условиях. На рис. 3 показаны кривые различных способов сушки образцов к изделий на-основе целлюлозы марки Э-2 при Т=700С.
Для сравнения скорости влагоудаления приведена кривая КС -сушки при температуре 1100С. Средняя скорость удаления влаги конвективной сушки при Т=1100С составляет Wср=2,97%/мин.
В результате проведенной эксперементаль-ной работы показано, что увеличение температуры при конвективной сушке до значения 110С не в состоянии интенсифицировать процесс. При широко распространенном конвективном способе сушки градиент температуры, возникающий в материале, направлен внутрь от его поверхности и тормозит перемещение влаги, происходящее за счет градиента влажности. Отрицательный температурный градиент снижает общий поток влаги, создаваемый градиентом влажности, до 30%[4].При снижении температуры конвективной сушки до 700С время сушки составляет 6 часов.В случае применения технологий ТВИ -сушки ,со снижением давления в камере внутри материала образуется избыточное давление, в результате чего создается положительный градиент избыточного давления, совпадающий по направлению с градиентом влажности и тем самым способствующий увеличению интенсивности суш-ки.Это можно объяснить и тем, что под воздействием быстрого образования вакуума в аппарате на границе раздела фаз создается микропаровая фаза, снижается поверхностное натяжение контактирующих фаз, увеличивается текучесть жидкости, процесс испарения жидкости переходит с поверхностного в объемный, а часть жидкости (примерно 40%) удаляется из материала без испарения. Это позволяет в несколько раз увеличить производительность сушки при одновременном снижении энергоемкости и времени процесса и получить высококачественную продукцию.
Литература
1. В.Я. Базотов, Т.И. Калинин, А.Е. Никифоров, Я.К. Абрамов, В.Ф. Мадякин. Вестник Казанского технологического университета, 7, 339-346, (2010).
2. О.Кришер. Научные основы техники сушки. Издательство иностранной литературы. Москва, 1961, 539с.
3. С.Ю. Игнатьева, В.Я. Базотов, В.Ф. Мадякин, Вестник Казанского технологического университета, 13, 7881, (2013).
4. С.П. Рудобашта. Массоперенос в системах с твердой фазой. Химия, Москва, 1980, 248с.
© C. Ю. Игнатьева - старший научный сотрудник УПК КНИТУ, ignatyeva_svt@mail.ru; В. Ф. Мадякин - доцент кафедры ТТХВ КНИТУ, madyakin_vf@mail.ru; Р. Ф. Гатина - директор ФКП «ГосНИИХП»; А. Ю. Осипова - инженер-технолог ФКП «ГосНИИХП».
© S. Yu. Ignatieva - Senior Researcher UPK KNRTU, ignatyeva_svt@mail.ru; V. F. Madyakin - Associate Professor of TTHV KNRTU, madyakin_vf@mail.ru; R. F. Gatina - Director FKP "GosNIIHP"; A. Yu. Osipova - Process Engineer FKP "GosNIIHP."
