А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 27

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

Як сушильний агент найчастіше використовують нагріте повітря, такі установки називають повітряними сушарками. Звичайно викорис­товують нагріте до температури 120-150 оС повітря, якщо неприпусти­ме забруднення висушеного продукту (наприклад, цукру, повареної со­лі та ін.) домішками. У деяких випадках для сушіння використовують перегріту водяну пару, в окремих випадках використовують інертні гази (наприклад, азот та ін.), однак такі установки досить складні в екс­плуатації. У багатьох випадках як сушильний агент застосовують димові (топкові) гази - продукти згоряння палива в суміші з повітрям, такі установки називають газовими сушарками.

8.2 Зв'язок вологи в матеріалі, рівновага в процесі сушіння

Залежно від фізико-механічних і хімічних властивостей системи "тверда речовина - рідина" розрізняють кілька форм зв'язку вологи з матеріалом.

Вільною (поверхневою) називають вологу, утримувану на зовнішній поверхні не розчинних твердих аморфних або кристалічних часток за допомогою сил поверхневого натягу або сил зчеплення. Звичайна кіль­кість утримуваної вільної вологи залежить від властивостей матеріалу, розміру та форми його часток, ступеня полідисперсності. Дрібні поро­шки із часток неправильної форми, як правило, утримують більшукількість вільної вологи та віддають її сутужніше в порівнянні із грубо­зернистими матеріалами.

Капілярно-пориста волога заповнює внутрішні пори та канали в частках зернистого матеріалу та утримується усередині пор капілярни­ми силами. Така волога видаляється з матеріалу сутужніше порівняно з вільною вологою, проте, в обох випадках волога з матеріалом пов'язана фізико-механічними силами та може бути вилучена тією чи іншою мі­рою механічним або термічним способами за рахунок її випарювання при порівняно невисоких температурах.

Фізико-хімічна волога, пов'язана з матеріалом фізико-хімічними (ад­сорбційними та осмотичними) силами, утримується в матеріалі значно більшими силами й для її видалення затрачається додаткова енергія в порівнянні з попередніми способами зневоднювання матеріалу.

Хімічно зв'язана волога утримується силами хімічної взаємодії між молекулами речовини та вологи, звичайно така волога входить до скла­ду кристалогідратів - сполук, що включають до свого складу певне чи­сло молекул води (наприклад, СаНР042Н20, Са8042Н20, Си8045Н20 та ін.). При сушінні кристалогідратна волога важко видаляється й по­трібно проводити високотемпературне прожарювання матеріалу, що висушується.

Звичайно на сушіння подають вологий матеріал із відомою (зада­ною) початковою вологістю, готовий продукт вивантажують із заданою кінцевою вологістю. Вологість матеріалу виражають у мас. частках або в %% мас. Варто мати на увазі, що кінцевий продукт може бути вису­шений до вологості, не нижче значення гігроскопічного вологовмісту -величини, що відповідає рівноважному вологовмісту матеріалу при контакті з повітрям, насиченим вологою. Величина гігроскопічного вологовмісту залежить від властивостей матеріалу, розміру часток і температури повітря. Через гігроскопічність матеріалу часто відбува­ється агломерація й злежування часток при тривалому зберіганні, тому гігроскопічні матеріали зберігають в умовах, що виключають їх кон­такт із атмосферним повітрям.

У літературі подані таблиці, за якими визначають гігроскопічний вологовміст різних матеріалів [12].

Для зниження гігроскопічності гранульованих мінеральних добрив часто наприкінці сушіння матеріал припудрюють гідрофобними поро­шками або наносять на поверхню часток гідрофобну захисну плівку, використовуючи поверхнево-активні речовини (ПАР).

На вибір способу сушіння та конструкції сушарки дуже впливає дисперсність зернистого матеріалу - розмір часток та їх розподіл у на­важці матеріалу (його гранулометричний склад) і форма зерен. Від цих факторів залежить сипкість, насипна та істинна густина матеріалу, питома поверхня часток, а також вибір швидкості руху сушильного агенту в сушарці.

8.3 Діаграма стану вологого повітря

Найпоширенішим сушильним агентом у багатьох сушильних уста­новках є нагріте атмосферне повітря, що передає теплоту висушувано­му матеріалу і одночасно служить транспортним засобом для відведен­ня пари вологи. Вологе атмосферне повітря звичайно являє собою бага­токомпонентну газову суміш, що підкоряється законам ідеального газу та містить у своєму складі сухе повітря й водяну пару.

Атмосферне вологе повітря характеризується рядом параметрів, до яких належать: парціальний тиск компонентів, вологовміст, густина, температура, ентальпія (тепловміст), абсолютна та відносна вологість.

Вологовміст повітря (х) визначає масу водяної пари (кг), що міс­титься у вологому повітрі і віднесена до 1 кг абсолютно сухого повітря.

Вологовміст часто виражають відношенням густин вологи і повітря

Х пв 1 Рп .

Відповідно до наслідку закону Авогадро щодо ідеальних газів, воло-говміст повітря залежить від мольної маси та парціального тиску ком­понентів газової суміші за даної температури, а також від загального тиску повітря, при цьому

М р тР х =    пвИпв = 0,622   г нас    , (8.1)

МпРп П рнас

де Мпв, Мв - мольні маси пари води та повітря відповідно, Мпв = 18, Мв = 29; рпв, рп -парціальні тиски пари води та повітря в газовій суміші відповідно; р - відносна воло­гість повітря; П, Рнас - загальний тиск та тиск насиченої водяної пари за даної темпера­тури відповідно.

Відносною вологістю повітря називають масову кількість водяної пари, що фактично знаходиться у вологому повітрі та віднесена до мак­симального вмісту пари у насиченому повітрі за однакової температу­ри, при цьому для температур ї < 100 °С

<р = в-. (8.2) р

нас

Відносна вологість характеризує здатність повітря насичуватись вологою і, отже, чим вона менша, тим краще це для процесу сушіння.

Відносна вологість повітря зростає з підвищенням вологовмісту (за однакової температури внаслідок підвищення тиску насиченої пари) та зменшується з підвищенням температури (при однаковому вологовміс-ту). Для насиченого вологою повітря ртах = 1.

Відносну вологість повітря звичайно визначають за допомогою спе­ціального прилада - психрометра.

Температура характеризує термодинамічний рівень нагрівання газу (повітря) в умовах термодинамічної рівноваги системи. Температуру звичайно визначають за показниками термометра і для ненасиченого вологою повітря її характеризують як температуру сухого термометра.

Температурою точки роси називають температуру конденсації насиченої водяної пари при певному вологовмісті повітря, отже темпе­ратура точки роси відповідає повному насиченню повітря вологою. Звичайно температура точки роси завжди нижча температури повітря.

Ентальпія (тепловміст) вологого повітря характеризує кількість (вміст) теплоти, віднесену до 1 кг сухого повітря та з урахуванням во­дяної пари, що перебуває в ньому. Звичайно ентальпія вологого повітря дорівнює сумі ентальпій 1 кг повітря та х кг водяної пари, при цьому

1 = Іп + ІвпХ = С«* + в + Cent)Х , (8.3)

де І«, Івп - ентальпії повітря та водяної пари відповідно; х - вологовміст повітря; с«, свп - теплоємності повітря та водяної пари відповідно; t - температура повітря; гв - пи­тома теплота пароутворення води.

Підставивши в рівняння (8.3) значення параметрів повітря та водя­ної пари, одержали рівняння для розрахунку ентальпії вологого повітря

I = (1010 + 1970x)t + 2490 • 103x . (8.4)

У процесі висушування вологого матеріалу в сушарці відбувається безперервна зміна параметрів вологого повітря й виникає необхідність їх визначення в локальних перерізах сушарки.

Для полегшення технологічних розрахунків процесу сушіння в су­шильних установках російський вчений - теплотехнік проф. Л. К. Рам-зін розробив діаграму І - x для вологого повітря для умов середнього атмосферного тиску, що дорівнює 745 мм рт. ст. (100 кПа).

На діаграмі, що наведена на рис. 8.1, на осі ординат відкладені зна­чення ентальпій повітря, при цьому лінії постійної ентальпії (І = const) нахилені під кутом 135о до осі абсцис й одночасно враховують темпе­ратуру повітря та його вологовміст.

На похилій осі абсцис відкладені значення вологовмісту повітря.

Для зручності користування діаграмою значення вологовмісту пере­несені на допоміжну горизонтальну вісь, перпендикулярну до осі орди­нат, при цьому лінії постійного вологовмісту (х = const) є вертикаль­ними та паралельними до осі ординат.

Залежно від основних параметрів вологого повітря на діаграму І - x нанесені лінії постійних температур - ізотерми (t = const), лінії постій­ної відносної вологості (р = const), а також лінія парціальних тисків во­дяної пари залежно від вологовмісту повітря.

Лінії постійних температур (ізотерми) проходять під деяким кутом до осі абсцис, при цьому нахил ліній трохи зростає з підвищенням тем­ператури внаслідок збільшення теплоємності водяної пари.

Лінії постійної відносної вологості (р = const) утворюють пучок розбіжних кривих, при температурах вище 99,4°С вважають, що лінії (р = const) різко змінюють свій нахил [11, 12]. Лінія р = 1,0 відповідає вологому насиченому водяною парою повітрю та фактично враховує умови конденсації водяної пари з вологого повітря при відповідних температурах точки роси.

Лінія парціального тиску побудована на діаграмі під кривою р = 1,0 для насиченого повітря, при цьому парціальний тиск визначають на правій осі ординат залежно від вологовмісту повітря.

Рис. 8.1 - Діаграма Рамзіна ентальпія - вологовміст - х) для вологого повітря

Діаграма I - х досить зручна для практичних розрахунків, оскільки дозволяє за двома відомими параметрами вологого повітря легко визначи­ти значення інших параметрів повітря, а також дозволяє відбити на ній хід робочих ліній процесів залежно від зміни параметрів вологого повітря.

Діаграма I - х також може бути використана для розрахунків процесів конденсації вологи із повітря, для процесів кондиціювання повітря та ін.

Для процесів сушіння, що проходять в області більш високих темпе­ратур (від 200 до 700°С), побудовані діаграми, які придатні для розра­хунків процесів сушіння топковими газами.

8.4 Зображення робочих ліній процесів зміни параметрів вологого повітря на І - х діаграмі

При проведенні процесів сушіння змінюються параметри вологого повітря, у зв'язку із чим розглянемо відображення ходу робочих ліній при проведенні деяких нескладних процесів.

8.4.1 Процеси з вологим повітрям без обміну вологою

1. Нагрівання та охолодження вологого повітря. Якщо вологе повітря нагрівати від початкової температури їо (т. А на рис. 8.2 а) до заданої їв, то такий процес проходить при постійному вологовмісті повітря хо і його хід на діаграмі I - х відобразиться вертикальною прямою АВ.

Зазначимо, що в процесі нагрівання підвищуються температура та ентальпія повітря, при цьому внаслідок збільшення об'єму газу зменшу­ється відносна вологість повітря.

Рис. 8.2 - Зображення процесів зміни параметрів вологого повітря:

а - нагрівання та охолодження повітря; б - змішування потоків повітря з різними параметрами

При охолодженні повітря із заданими параметрами від температури ї2 (т. О) до температури їВ (т. В) то процес охолодження проходить при постійному вологовмісті х2, а хід процесу на діаграмі I - х відобра­зиться прямою СВ, при цьому відносна вологість повітря підвищується.

Якщо процес охолодження продовжити до лінії р = 1,0 (процес ВЕ), то в т.Е повітря стає насиченим вологою, а відповідна т. Е температура називається температурою точки роси. При подальшому охолодженні повітря почнеться процес конденсації і виділення вологи з повітря у ви­гляді роси (мілкодисперсних крапель), що піде по лінії зі зменшен­ням вологовмісту повітря від величини Х2 до значення Х1.

Кількість сконденсованої та виділеної вологи з 1 кг вологого повітря визначається різницею вологовмістів, при цьому

IV = х2 - х1, (8.5) де х2, х1 - вологовміст насиченого й кінцевого повітря відповідно при температурах точки роси в точках Е і Б відповідно.

2. Змішування потоків повітря (холодного та нагрітого) з різними параметрами (вологовмістом, температурою та ентальпією) і з різним масовим співвідношенням звичайно розглядають як процес перерозпо­ділу параметрів утвореної повітряної суміші, що проходить у повній відповідності з рівняннями матеріальних і теплових балансів.

На рис. 8.2 б показаний хід процесу змішування потоків повітря різ­них параметрів.

Нехай 1 кг вологого холодного повітря з параметрами х0, ї0, І0 (для т. А) змішується з и кг гарячого повітря з параметрами х2, і2, І2 (для т. В), при цьому утворюється (и + 1) кг повітряної суміші з волого­вмістом хс і ентальпією Іс (для т. О).

Для процесу змішування запишемо таку систему рівнянь:

- рівняння матеріального балансу щодо маси вологи

1 х1 + и х2 (1 + и)хс, (8.6)

- рівняння теплового балансу щодо теплових потоків

1-11 + п І2 (1 + и)Іс, (8.7)

де хс, Іс - вологовміст та ентальпія утвореної суміші повітря відповідно. Рівняння (8.6) перепишемо в такому вигляді

и(Х2     Хс ) (Хс     Х1 ) ,

розв'язавши яке відносно и, знайшли

и (хс -х1)/(х2 -хс). (8.8) Подібним чином, переписали рівняння (8.7) в такому вигляді

и(12 - Іс ) (Іс - І1)

і, розв'язавши його відносно и, знайшли

и с - І1)/(І2 - Іс). (8.9) Оскільки ліві частини рівнянь (8.8) і (8.9) однакові, то й праві части­ни також однакові та рівні, отже, запишемо

-с-- -с-- и . (8.10)

х2сІ2с

Залежність (8.10) є рівнянням прямої лінії, що проходить через точ­ки з початковими параметрами змішуваних потоків повітря (т. А і В), при цьому т. О, що характеризує параметри утвореної суміші, лежить на прямій АСВ і ділить відрізок АВ у відношенні, обернено пропорцій­ним відрізкам АС : СВ = и.

Координати т. С визначаються зі співвідношень

хс —~л-1, (8.11) Іс —~л-2. (8.12)

1 + и 1 + и

Таким чином, за допомогою діаграми І - х порівняно просто визна­чити хід робочих ліній як самих процесів, так і зміни параметрів воло­гого повітря залежно від основного завдання процесу.

8.4.2 Процеси у вологому повітрі із зовнішнім підведенням вологи

Процес сушіння вологого матеріалу супроводжується випаром (ви­даленням) вологи з матеріалу і її перенесенням у повітряний потік.

Підведення вологи (пари) у вологе повітря супроводжується зміною всіх параметрів вологого повітря (вологовмісту, температури, ентальпії і ін.), при цьому на основі рівнянь матеріального та теплового балансів можна визначити ентальпію зволоженого повітря при підведенні в ньо­го додаткової кількості пари вологи, при цьому знайшли:

!ув =        ^, (8-13)

Хуе Х1

де їпе - ентальпії вихідного повітря й доданої пари вологи відповідно; хІ7 хуе - воло-говміст вихідного повітря й повітряної суміші, що утворилася після додавання пари вологи відповідно.

Рівняння (8.13) показує, що, по-перше, процес підведення (випарю­вання) вологи у вологе повітря описується рівнянням прямої лінії, що з'єднує ентальпії вихідного повітря й пароповітряної суміші, що утво­рилася. По-друге, нахил робочої лінії процесу підведення пари вологи щодо початкової ентальпії повітря визначається кількістю підведеного тепла з парою вологи, що знаходиться в матеріалі.

Адіабатичне еітарюеання еологи. Якщо в процесі сушіння випарю­вання вологи з матеріалу відбувається тільки за рахунок теплоти сушильного агенту (нагрітого повітря), то процес звичайно проходить в адіабатичних умовах і тепловміст пароповітряної суміші, що утворила­ся, зберігається постійним, тому що підведене тепло використовується тільки на випарювання вологи з матеріалу. У процесі адіабатичного сушіння (див. рис. 8.3 а, робоча лінія СВЕ) температура повітря знижу­ється відповідно до термодинамічної рівноваги системи.

Рис. 8. 3 - Процеси зміни параметрів вологого повітря на I - х діаграмі із зовнішнім підведенням вологи:

а - ізоентальпійним охолодженням повітря; б - з різним вмістом вологи

Положення робочої точки процесу визначається кількістю підведе­ної вологи, при цьому зі збільшенням кількості вологи вологовміст і відносна вологість повітря також підвищуються, а температура волого­го повітря при цьому знижується. У процесі адіабатичного випару вологи за певної температури (наприклад, для т. F) пароповітряна су­міш стає насиченою вологою.

Температура, за якої повітря стає насиченим вологою в умовах адіа­батичного випару вологи, називається температурою мокрого (волого­го) термометра (ґмт). Так, для т. А з параметрами хо і t0 (див. рис. 8.3 а) температуру мокрого термометра знаходять як точку перетинання лінії

10 = const з лінією постійної відносної вологості насиченого повітря р = 1,0 (нарис. 8.3 а, т. В).

При досягненні температури мокрого термометра припиняється випар вологи з матеріалу і повітря перебуває в рівноважному насиче­ному стані з парами вологи. Температуру повітря, що відповідає темпе­ратурі мокрого термометра (t^), називають межею адіабатичного охо­лодження повітря. Звичайно для насиченого вологою повітря темпера­тура мокрого термометра завжди вища температури точки роси (див. рис. 8.3 а, для вологовмісту повітря в т. А (хо) і т.В (хВ).

При подальшому охолодженні нижче температури мокрого термо­метра з вологого повітря починає конденсуватися волога, при цьому процес конденсації вологи зображується на діаграмі I - х робочою ліні­єю, що йде по кривій р = 1,0 = const до температури охолодження.

На основі показань температур сухого та мокрого термометрів скла­дені психрометричні таблиці, що дозволяють визначити відносну воло­гість повітря [22, с.28].

Неадіабатичні процеси сушіння. Якщо в процесі сушіння тепло в сушарку підводять у деякій надлишковій кількості, то після випару во­логи з матеріалу пароповітряна суміш буде нагріватися, відповідно при цьому буде збільшуватися ентальпія повітря (див. рис. 8.3 б, робоча лі­нія АВ). При недоліку підведеного тепла для процесу сушіння ентальпія повітря буде відповідно зменшуватися (рис. 8.3 б, робоча лінія AD).

Характеристикою напряму ходу робочої лінії сушіння є зміна пара­метрів вологого повітря в процесі сушіння, обумовлена відношенням

8 = -^-^, (8.14)

де 8 - питомі витрати тепла на сушіння, Дж/кг вологи; I1, I - ентальпії початкового та поточного потоків повітря в процесі сушіння відповідно; х1, хі - вологовміст початко­вого та поточного потоків повітря в процесі сушіння.

Величина 8 визначає питомі витрати тепла в процесі сушіння.

Залежно від абсолютної величини 8 розрізняють теоретичні та ре­альний сушильні процеси.

Якщо в процесі сушіння питомі витрати тепла відсутні, то 8 = 0 та

11 = It = const. Такий процес сушіння називають теоретичним.

Якщо в процесі сушіння поточна ентальпія повітря підвищується (див. рис. 8.3 б, робоча лінія процесу АВ, при цьому 5 > 0 та I, > /;), то такий процес називають реальним з надлишком підведеного тепла.

Якщо в процесі сушіння поточна ентальпія повітря зменшується (для лінії АВ\ І< І}, 5 < 0), то такий процес сушіння також є реальним із недостатньою кількістю підведеного тепла (втратами тепла).

Відображення ходу робочих ліній процесів сушіння при різних варі­антах підведення тепла показані на рис. 8.3 б.

8.5 Схема й принцип дії сушильної установки

У промисловому варіанті повітряна сушильна установка для сушін­ня дисперсних матеріалів звичайно включає газодувку для подачі пові­тря, калорифер (топку для спалювання палива), власне саму сушарку, пристрої для подачі початкового вологого матеріалу та вивантаження готового висушеного продукту, а також пилоуловлюючі пристрої.

Принципова схема сушильної установки безперервної дії й основні матеріальні та теплові потоки показані на рис. 8.4.

Рис. 8.4 - Принципова схема повітряної сушильної установки:

1 - газодувка; 2 - паровий калорифер; 3 - бункер вологого матеріалу; 4 - секто­рний живильник; 5 - сушильна камера; 6 - транспортер; 7 - додатковий підігрів­ник; 8 - хвостовий вентилятор; 9 - циклон; 10 - збірник пилу

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв