А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 30

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 

Сушарка із замкненою циркуляцією гвзу. Даний тип сушарок вико­ристовується в тому випадку, коли неприпустиме застосування повітря для висушування матеріалу внаслідок його окислювання або виділюва­ні пари вологи утворюють вибухонебезпечні суміші (наприклад, при сушінні виділяється пара ацетону, етилового або метилового спирту).

Як сушильний агент у таких установках звичайно використовують азот, що циркулює в замкненому контурі.

Схема сушильної установки із замкненою циркуляцією газу й зображення процесу сушіння на І - х діаграмі подані на рис. 8.11.

Після завантаження в сушильну камеру продукту, що висушується, установка герметизується, з неї вакуум - насосом відкачують повітря й система з  балонів  заповнюється газом,  що використовується яксушильний агент. Потім включають у роботу газодувку, подають у калорифер тепло й проводять процес сушіння. Отримана парогазова суміш надходить у конденсатор 4, де відбувається охолодження газу й конденсація пари вологи. Краплинна волога відокремлюється в збірни­ку рідини 5, а газ надходить на усмоктування в газодувку 1.

Рис. 8.11 - Сушильна установка із замкненою циркуляцією газу (в) , зображення процесу на I - х діаграмі (б):

1 - газодувка;  2 - калорифер;  3 - сушильна камера;  4 - конденсатор; 5 - збірник рідини

Після закінчення сушіння припиняють підігрівання газу, після охо­лодження газу і конденсації вологи газ відкачують із системи в балон, систему заповнюють повітрям і вивантажують висушений продукт. Потім готують сушарку до проведення повторної операції сушіння.

На І - х діаграмі (рис. 8.11 б) процес сушіння зображений робочою лінією ВС, процес охолодження газу проходить по лінії СВ, процес конденсації й виділення вологи зображений лінією ВЕ.

Сушіння топковими газами. У звичайних сушильних установках, що обігріваються насиченою водяною парою, використовують пару ти­ском 0,5-1,0 МПа, відповідно при цьому гранична температура повітря, що нагрівається, становить 140-180оС. У той же час, з підвищенням температури повітря збільшується його вологоємність й інтенсивність випару вологи. Тому для висушування термостійких матеріалів у хіміч­ній й іншій галузях промисловості широко застосовують сушильні установки, у яких як сушильний агент використовують топкові гази, отримані при згоранні палива та розбавлені атмосферним повітрям.

Сушіння з використанням топкових газів застосовують у тому випад­ку, якщо продукти згоряння (домішки золи й сажі) не впливають на якість готового продукту (наприклад, при сушінні мінеральних добрив).

В результаті спалювання палива в потоці повітря відбуваються реа­кції горіння - окислювання компонентів палива киснем повітря, при цьому в основному утворюються пара води й двоокис вуглецю Темпе­ратуру газів й їх вологовміст визначають залежно від компонентного складу палива й коефіцієнта надлишку повітря, що подається в топку,звичайно температура топкових газів становить 800-1300°С. Для біль­шості матеріалів, що висушуються, така температура занадто висока, тому топкові гази розбавляють атмосферним повітрям.

З урахуванням термостійкості матеріалу, що висушується, темпера­тура топкових газів, що поступають у сушарку становить 400-800°С, а температура газів, що відходять, звичайно дорівнює 120-170оС. Влас­тивості топкових газів мало відрізняються від властивостей вологого повітря, тому для розрахунку сушильних установок звичайно викорис­товують I - х діаграму для повітря у високотемпературній зоні .

Схема сушильної установки й зображення процесу сушіння на I - х діаграмі представлені на рис. 8.12.

Рис. 8.12 - Схема сушильної установки з використанням топкових газів (а), зображення процесу сушки на I - х діаграмі (б):

1 - повітродувка;   2 - топка з камерою змішування;   3 - сушильна камера; 4 - хвостовий вентилятор

Сушильна установка у своєму складі має топку 2 для спалювання палива й змішувальну камеру для розбавлення й змішування димових газів з повітрям, а також власне сушильну камеру 3.

Для одержання газової суміші з потрібною для процесу сушіння температурою топкові гази змішують у певній пропорції з атмосфер­ним повітрям (лінія АВК на рис. 8.12 б). Потім суміш надходить у сушильну камеру, де відбувається процес сушіння за звичайним варіан­том реальної сушарки. Питому витрату повітря й тепла на сушіння визначають так само, як для звичайної простої сушильної установки.

Позитивною стороною даної сушильної установки є повна відсут­ність теплообмінного обладнання, а також можливість утилізації тепла різних енерготехнологічних установок.

8.12 Кінетика процесів конвективного сушіння

Розміри сушильної камери визначають залежно від фізико-хімічних властивостей матеріалу, що висушується, параметрів процесу, умов взаємодії потоків вологого матеріалу й сушильного агенту, а також тривалості (часу) сушіння. Умови розвитку процесу сушіння в часі від­носяться до сфери кінетики сушіння.

Швидкістю сушіння називають кількість вологи, що випаровується з одиниці поверхні вологого матеріалу за одиницю часу, при цьому

Wc = г (8.43)

ґ аг

де Шс швидкість сушіння, кг вологи /(м2х).

Сушіння являє собою досить складний термодифузійний процес, у якому тепло за допомогою теплопровідності й конвекції передається й поширюється усередині капілярно-пористого вологого матеріалу. У результаті розігріву матеріалу відбувається випарювання вологи і її дифузійно-конвективне перенесення до поверхні матеріалу, що вису­шується, а потім у повітряний потік. Отже, при сушінні швидкість ви­парювання вологи в першу чергу визначається швидкістю підведення тепла до вологого матеріалу, а власне швидкість сушіння визначається швидкістю масоперенесення пари вологи з поверхні висушуваного матеріалу в потік сушильного агента - повітря.

Як правило, лімітуючою стадією процесу сушіння є швидкість дифузійно-конвективного перенесення вологи в повітряний потік.

При проведенні процесу сушіння розрізняють три послідовно проті­каючих у часі періоди: період прогрівання матеріалу, період постійної швидкості сушіння й період падаючої швидкості сушіння.

Криві процесу конвективного сушіння показані на рис. 8.13.

6

Рис. 8.13 - Криві процесу конвективного сушіння:

а — зміна вологовмісту (1) і температури (2) у процесі періодичного сушін­ня; б — залежність швидкості сушіння від вологовмісту матеріалу

На рис 8.13 а (крива 1) показана зміна вологовмісту матеріалу в процесі сушіння в часі: ділянка АВ відбиває нагрівання матеріалу, діля­нка ВС відбиває період постійної швидкості сушіння, ділянка СВЕ від­биває період падаючої швидкості сушіння. Зміна температури матеріа­лу у процесі сушіння (крива 2) відбита кривими: А'В' — крива нагріван­ня матеріалу від початкової температури ін до температури мокрого термометра ділянка В'С відбиває температуру матеріалу в процесі постійної швидкості сушіння; ділянка СЕ' відбиває зміну температури матеріалу в процесі падаючої швидкості сушіння.

На рис. 8.13 б подана залежність швидкості сушіння в різні періоди: крива АВ показує процес розігрівання матеріалу; крива ВС відбиває швидкість сушіння в першому періоді сушки, крива СВЕ відбиває зменшення швидкості сушіння в другому періоді.

Звичайно період прогріву вологого матеріалу займає малий промі­жок часу й характеризується незначною зміною вологовмісту матеріа­лу, тому що при прогріванні матеріалу випарювання вологи з матеріалу відбувається з малою швидкістю.

У період постійної швидкості сушіння переважно відбувається ви­далення поверхневої вологи з матеріалу й лінійна зміна вологовмісту матеріалу в часі. Тривалість першого періоду при постійній швидкості сушіння звичайно визначають за рівнянням [3, 11, 14, 22, 63]:

г1 = 1^(ин —иКр), (8.44) Кс 2 де 1¥с — швидкість сушіння матеріалу в першому періоді, кг вологи/(м х); ин, и'кр — по­чатковий і критичний вологовміст матеріалу в розрахунку на суху речовину.

В період падаючої швидкості сушіння відбувається видалення воло­ги із глибинних шарів, при цьому вологовміст матеріалу асимптотично наближається до рівноважного значення. Тривалість періоду падаючої швидкості сушіння визначають за залежністю

(и  и )    (и  и ) г2 = ^>-р± ші*>-р±, (8.45)

де и'кр, ир, ик — критичний, рівноважний і кінцевий вологовміст висушуваного матеріа­лу відповідно

Загальна тривалість процесу сушіння дорівнює

1 и

— [(ин — икр ) + икр ІП

Теоретична залежність (8.46) є наближеною, оскільки вона не врахо­вує величину рівноважного вологовмісту матеріалу внаслідок її малого значення. Практичний час сушіння приблизно в 1,5 - 2 рази вищий від теоретично розрахованого за формулою (8.46).

Відповідно до основного кінетичного закону, швидкість сушіння прямо пропорційна рушійній силі процесу й обернено пропорційна дифузійному опору, при цьому

К с /    , (8.47)

де Ас — середня рушійна сила процесу сушіння; Лд — дифузійний опір матеріалу.

На основі співвідношень (8.43) і (8.47) отримали залежність коефіці­єнта швидкості сушіння в такому вигляді

де рс — коефіцієнт швидкості сушіння — коефіцієнт масовіддачі, віднесений до одиниці рушійної сили процесу сушіння, до одиниці поверхні матеріалу й до одиниці часу.

г + г2 = — [(ин —    ) +    1п^ ]. (8.46)

Швидкість сушіння значною мірою визначається величиною рушій­ної сили процесу.

В процесі сушіння нагрітий вологий матеріал контактує з потоком нагрітого повітря, при цьому пари вологи з матеріалу дифундують до поверхневого шару, переходять у потік повітря й насичують його воло­гою. Дифузія пари вологи з матеріалу відбувається в тому випадку, якщо пружність пари вологи в матеріалі (тиск насиченої пари) буде бі­льшою пружності пари вологи в повітрі.

Як зазначено вище (див. розділ 8.3), тиск пари у вологому матеріалі й тиск насиченої пари вологи в повітрі залежать від температури мате­ріалу, температури й вологовмісту повітря, тому локальна рушійна сила процесу сушіння може бути виражена декількома способами:

- через пружність пари вологи у вологому матеріалі й у сушильному агенті (при однаковій їх температурі);

- через різницю вологовмістів повітря, що взаємодіє з вологим мате­ріалом, і насиченого вологою повітря при їх однаковій температурі з матеріалом;

- через потенціал сушіння - різницю температур сухого й мокрого термометрів для повітря й матеріалу відповідно.

Розглядаючи конвективне сушіння як масообмінний процес, звичай­но середню рушійну силу процесу визначають за середньою логариф­мічною залежністю з врахуванням більшої й меншої локальної різниці вологовмістів у межах сушильної камери, при цьому

Ах* — Ах

Axc = і U   Ik" 1, (8.49) In [bcj Ахм 1

де Ахе - більша різниця вологовмістів насиченого повітря (у шарі матеріалу) і повітря в ядрі потоку, Ахе = хнас1 - xf; Ахм - менша різниця вологовмістів повітря, Ахм = хнас2 - х2.

Якщо як рушійну силу використати різницю парціальних тисків водяної пари у вологому матеріалі й у повітряному потоці, то середню рушійну силу визначають за аналогічною формулою з відповідною за­міною вологовмістів на пружність пари вологи.

Розглядаючи сушіння як термодифузійний процес, середню рушійну силу процесу звичайно визначають через значення локального потенці­алу сушіння, при цьому

At  =   АГ А\ = (tl tMl) (t2 tM2) , (8.50) cp   In {AtjAtK)   ln[(t! tmX)/(t2 tm2)] ' '

де t;, t2 - температури повітря на вході й виході сушарки відповідно; tMl, tM2 - темпера­тури мокрого термометра для матеріалу на вході й виході сушарки.

Коефіцієнт масовіддачі від поверхні вологого матеріалу в потік по­вітря розраховують, використовуючи критеріальні рівняння вигляду

Nud = CRenPrdm, (8.51)

де Nud - дифузійний критерій Нуссельта, Nud = ppd3 /De; pF - поверхневий коефіцієнт масовіддачі, м/с; De - коефіцієнт дифузії пари вологи в повітрі; d3 - еквівалентний ді­аметр каналів (часток) для матеріалу, що висушується; Re - критерій Рейнольдса,

Не = мій/у\ Ргд - дифузійний критерій Прандтля для пари вологи, Ргд = у/0„; v - коефі­цієнт кінематичної в'язкості повітря.

За відомим або розрахованим значенням числа Мид визначають ве­личину поверхневого коефіцієнта масовіддачі, при цьому

а - ^. (8.52)

У літературі [66, с. 166] наведені критеріальні рівняння для різних типів сушарок. Наприклад, для сушіння дисперсних матеріалів у конве-ктивних сушарках для широкого діапазону чисел Рейнольдса (у межах 0-70000) рекомендовано використовути критеріальне рівняння [67]

Мид - 2 + 0,51 Яе0,52 Рг°'33. (8.53)

Такого ж вигляду критеріальне рівняння використовують для розра­хунку коефіцієнтів тепловіддачі, оскільки існує певна аналогія між процесами конвективного тепло- і масообміну й для інженерних розра­хунків в інтервалі помірних температур приймають Мид ~ Ми.

Масову швидкість випарювання вологи з поверхні вологого матеріа­лу в конвективних сушарках у перший період сушіння рекомендують с. 427] розраховувати за формулою

Шс - 0,04075і/'8Ар , (8.54)

де Ш - швидкість випарювання вологи, кг/(м2 год); и> - швидкість повітря над матеріа­лом, м/с; Ар - різниця тисків водяної пари на поверхні вологого матеріалу й у повітрі, що проходить над матеріалом, мм рт. ст.

При сушінні вологих матеріалів досить проблематично визначити поверхню часток матеріалу, що беруть участь у процесі. Тому більш зручно в розрахунках використовути об'ємні коефіцієнти тепловіддачі та масовіддачі, пов'язані з поверхневими коефіцієнтами наступними співвідношеннями

аг-аР / Гк),       рг-р¥ / Гк), (8.55)

де ар, рр - поверхневі коефіцієнти тепловіддачі й масовіддачі відповідно; аг , рг - об'­ємні коефіцієнти тепловіддачі й масовідачі відповідно; ¥к - об'єм сушильної камери.

Об'єм сушильного простору сушильної камери звичайно повинен ураховувати об'єм, необхідний для прогрівання вологого матеріалу до температури сушіння, а також об'єм, необхідний для проведення власне сушіння - процесу випарювання вологи.

Об'єм простору для прогрівання вологого матеріалу обчислюють за модифікованим рівнянням теплопередачі, при цьому

Гн - йн / кг Аіср, (8.56)

де <2п - витрата тепла на нагрівання матеріалу до температури сушіння; Агср - середня різниця температур при сушінні; кг - об'ємний коефіцієнт теплопередачі при сушінні, що чисельно дорівнює об'ємному коефіцієнту тепловіддачі, Вт/(м3 К).

Об'єм сушильної камери, потрібний для проведення процесу випа­рювання вологи з вологого матеріалу, визначають за рівнянням

Ус - Ш / (Зг Ахср, (8.57)де ру - об'ємний коефіцієнт масопередачі для процесу сушіння, чисельно дорівнює об'ємному коефіцієнту масовіддачі, кг вл/ [кг м3 с (е.д.с.)]; Дхср - середня рушійна сила, виражена через вміст вологи в повітрі, кг/м3.

Об'ємний коефіцієнт масопередачі при сушінні в барабанних сушар­ках визначають за емпіричною формулою [63]:

р\ = 0,0162(т )0,9 п °'7Г°'54Р0/[сврв (Р-р)], (8.58)

де мі - швидкість повітря в сушарці; рв - середня густина повітря; св - теплоємність повітря; п - частота обертання барабана, п = 1,5-5,0 о/м; у - коефіцієнт заповнення ба­рабана матеріалом, що висушується, у = 0,1-0,25; Р0, р - тиск повітря в барабані й се­редній тиск водяної пари у сушарці відповідно, кПа.

Загальний об'єм сушильної камери дорівнює

Ук = Ун + Ус. (8.59)

Часто при визначенні розмірів сушильних камер використовують експериментальні дані з сушіння матеріалів у різних сушарках, при цьому як величину, що характеризує інтенсивність сушіння, застосо­вують об'ємну напругу камери щодо випарованої вологи [3, 10].

У цьому випадку об'єм сушильної камери розраховують за формулою

Ус = 3600Ш / Лу, (8.60)

де Ш - кількість вологи, що видаляється при сушінні, кг/с; Ау - величина об'ємної на­пруги сушарки щодо вологи з урахуванням властивостей матеріалу кг/(м3 год). Експериментальні дані сушіння деяких матеріалів подані в табл. 8.1.

Таблиця 8.1 - Експериментальні дані щодо сушіння деяких матеріалів у конвективних сушарках

'ра, І и„™.,„---І

Тип сушарки

Матеріал, що висушується Вапняк

Розмір часток,

мм 0 - 20

Вологість мате­ріалу, % мас.

Температура, оС

Напруга за вологою, Ау, кг/(м3 год) 30 - 40

 

 

и„ 8 - 10

пк 0,5

800

120

 

Руда марганцева

2,5

15,0

2,0

120

60

12

Амофос

1 - 4

8 - 12

1,5

350

110

15 - 20

Діамофос

1 - 4

3 - 4

1,0

200

90

8 - 10

Суперфосфат

1 - 4

14- 18

2,5 - 3

550

120

60 - 80

Вугілля буре

1 - 10

30

10-15

430

150

40 - 65

Ільменіт

0 - 0,3

3,7

0,03

300

130

100 - 160

Барію карбонат

-

45

1,0

380

100

70

Сульфат заліза

0,25-1,0

48,5

19,2

400

125

412

Сульфат амонію

0,25-0,8

4

0,2

150

70

48 - 60

Хлорид калію

0,6 - 1,0

16

0,15

700

120

900

СБ

СКШ

Примітка. СБ - сушарка барабанна; СКШ - сушарка киплячого шару

8.13. Основні типи й конструкції сушарок

Класифікаційні ознаки сушарок. Внаслідок розмаїтості видів і влас­тивостей матеріалів, що висушуються, масштабів виробництва, викори­стання різних теплоносіїв, а також типів і конструкцій сушильного об­ладнання прийнято класифікувати основні типи сушильних установок і сушарок за наступними ознаками [66, с. 179]:

- за організаційно-технічною структурою (режимом роботи): сушар­ки періодичної й безперервної дії;

- за способом сушіння (підведенням теплової енергії): контактні, конвективні, радіаційні, з нагріванням струмами високої частоти та ін.;

- за видом матеріалу, що висушується: для тонко- і крупнодисперс-них продуктів, грудкових матеріалів, для розчинів, суспензій і паст, для стрічкових і листових матеріалів, для великих штучних виробів та ін.;

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