Анализ процесса конвективной сушки полидисперсных зернистых материалов в аппаратах с закрученным слоем

УДК

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В АППАРАТАХ С ЗАКРУЧЕННЫМ СЛОЕМ

© А.М. Воробьев, В.М. Дмитриев, Г.С. Кормильцин, С.П. Рудобашта

Аннотация

В настоящее время при аппаратурном оформлении технологического процесса конвективной сушки значительного ряда зернистых материалов широко используются сушилки с кипящим слоем, простота конструкции которых и достаточно высокие техникоэкономические показатели обеспечили им явное преимущество перед другими видами сушилок. Однако особенности существования режима кипящего слоя налагают определенные требования на высушиваемый материал. Отклонение от этих требований приводит к нарушению гидродинамической обстановки в аппарате, возникновению застойных зон, увеличению разброса по времени пребывания материала в аппарате, что для некоторых типов термолабильных материалов является абсолютно недопустимым. Одним из таких материалов является вторичный полимерный гранулят. Значительная полидисперсность гранулята, разнообразие формы частиц, агрегатообразование при локальной концентрации влаги в виде пленок и термочувствительность материалов в совокупности существенно осложняют сушку вторичного гранулята от поверхностной влаги в аппаратах кипящего слоя. Для подобного класса влажных материалов целесообразно применение сушильных аппаратов с активными гидродинамическими режимами при дополнительной доработке конструкции.

Гранулят характеризуется широким гранулометрическим составом (1^10)-10-3 м и частицами самой разнообразной формы. При условии немедленной переработки после выбраковки изделий он содержит, в основном, поверхностную влагу. Среднее влагосодержа-ние этого материала зависит от целого ряда причин и может изменяться в пределах (0,5^4,7)-10-2 кг/кг. Влага неравномерно распределяется по объему гранулята и может способствовать образованию агрегатов, особенно из тонких пластинчатых частиц.

При интенсификации процесса сушки термочувствительных материалов использование высокотемпературного теплоносителя возможно лишь при строго контролируемом времени контакта фаз и обеспечении минимальной дисперсии по времени пребывания частиц высушиваемого материала.

Одним из перспективных направлений интенсификации процесса удаления несвязанной влаги является сушка в закрученных взвешенных слоях, при которой обеспечивается значительная степень турбулизации газового потока и высокие относительные скорости движения фаз.

Закрученные потоки позволяют длительное время удерживать обрабатываемый материал в рабочей зоне сушилки. Активная циркуляция частиц в закрученном слое в совокупности с высокими относительными скоростями взаимодействующих фаз устраняет застойные зоны и разрушает агрегаты из влажного материала.

Наиболее широко распространен метод сушки паст и растворов на поверхности инертных тел, из которых формируется плотный закрученный слой [5-7]. Основное количество влаги удаляется в первом периоде, поэтому производительность аппаратов определяется гидродинамическим режимом, объемом взвешенного слоя инертных тел, их формой и размерами [5].

Сравнительный анализ [2] сушильных аппаратов (цилиндрических или цилиндроконических) с закрученным потоком материала показал их следующие достоинства:

- простота конструкции;

- значительные величины коэффициентов тепло-и массообмена;

- возможность обработки влажных материалов со значительной дисперсией размера частиц;

- возможность контролирования и регулирования времени пребывания высушиваемого материала в аппарате в достаточном временном диапазоне;

- большая пропускная способность по газовой фазе.

Особенности удаления влаги из вторичного полимерного гранулята с учетом рекомендаций по выбору типовых сушилок приводят к выводу о целесообразности применения аппаратов с закрученным потоком взвешенного материала для удаления поверхностной влаги при сушке материалов этого класса.

Работа подобных аппаратов характеризуется высокой степенью турбулизации теплоносителя и значительной относительной скоростью движения взаимодействующих фаз, что обеспечивает высокие техникоэкономические показатели процесса. Исследования в этом направлении привели к разработке целого ряда конструкций аппаратов для сушки влажных материалов в виде паст, суспензий и растворов [6, 7]. Существенными преимуществами этих сушилок являются низкое гидравлическое сопротивление аппаратов (на 30-35 % меньше аппаратов фонтанирующего и кипящего слоев) и высокий удельный влагосъем.

Основу сушилок с закрученным взвешенным слоем материала (СЗС) составляет цилиндроконический корпус с тангенциальными вводами теплоносителя. Все

аппараты работают по единой схеме [2]. В сушилку помещается инертный материал (гранулы полиэтилена, полипропилена, фторопласта и т. п.). Теплоноситель, подаваемый через тангенциальные вводы завихрителя, воздействует на инерт и приводит его во взвешенное состояние. При этом образуется плотный кольцеобразный закрученный поток инертных частиц, в который вводится влажный материал в виде раствора, суспензии или пасты. Распределяемый по поверхности инертных частиц материал высушивается, истирается и выносится с потоком отработанного теплоносителя. В зависимости от свойств высушиваемого материала, требований технологии и выпускной формы продукта конкретные аппараты имеют конструктивные особенности, направленные на решение задач интенсификации теп-ло-массообмена, улучшения распределения влажного продукта по поверхности инертных частиц, усиления процессов истирания и скалывания высушенных продуктов с поверхности инерта.

Для описания кинетики процесса непрерывной сушки дисперсных материалов в случае затруднения определения микрокинетики процесса для единичных гранул или монослоя предпочтителен подход, при котором выбирается неподвижная (эйлерова) система координат, связываемая с корпусом аппарата, и задача тепломассообмена формулируется в виде дифференциальных уравнений конвективной диффузии и энергии. Этот метод особенно предпочтителен в случае сложной гидродинамики, наличии побочных эффектов: агломерации, истирания, измельчения, химических превращений и т. п.

Для непрерывно действующих сушилок изменение движущей силы процесса по длине аппарата в первом периоде обычно выражается по газовой фазе, а во втором периоде - по твердой фазе. Скорость сушки материала определяется структурой потоков взаимодействующих фаз, для математического описания которой широко применяется диффузионная модель [3].

Для твердой фазы с учетом продольного перемешивания твердой фазы имеем:

й 2С

Ут — = Бт-------------------------

йх йх

- К(С - С ), 0 < х < Н;

С( х). С,+і. й!£,

Ут йх

х = 0;

йС

йх

где С, С„, Ср - текущее, начальное и равновесное

влагосодержание материала, кг влаги / кг сухого материала; Вт - коэффициент продольного перемешивания твердой фазы, м2/с; Ут - скорость движения твердой фазы, м/с; К - коэффициент сушки, с-1.

Описание температурного поля сушильного агента записывается аналогично [1]:

тг йіс

є • У —с = є

йх

йх2 С„

✓ ч Лс

іс(х)=*с,„ + — •—, х=0;

у йх = 0, х = Н,

йх

где ^, ^мт, - температуры сушильного агента,

мокрого термометра, начальная сушильного агента, °С; С с - объемная теплоемкость сушильного агента, кДж/(м3-К); V - скорость сушильного агента; - пороз-ность слоя; аv - объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3-К).

В общем случае параметры процесса ^т, аv , в) переменны по направлению потока и в инженерных расчетах целесообразно разбивать всю длину аппарата на ряд зон, в которых параметры процесса принимаются постоянными. Такой прием позволяет использовать в каждой зоне аналитические решения уравнений (1, 2), определяемые с соответствующей корректировкой граничных условий.

Численный анализ влияния коэффициента сушки К и коэффициента продольного перемешивания твердой фазы Рет на поле влагосодержания в твердой фазе показал , что интенсивное продольное перемешивание твердой фазы в аппарате при постоянном коэффициенте сушки К приводит к возрастанию конечного влаго-содержания высушенного продукта. Уменьшить конечное влагосодержание продукта можно путем повышения температуры или улучшением структуры потока твердой фазы, что является более рациональным. В общем случае снизить конечную влажность высушенного продукта можно повышением температуры сушильного агента, что зачастую невозможно по техническим причинам или из-за термолабильности высушиваемого материала.

Исследование продольного перемешивания твердой фазы в однокорпусных аппаратах по базовой схеме [2] проведено обработкой кривых отклика на импульсное возмущение (меченые частицы инертного носителя). Для однокорпусных аппаратов значения критерия Рет, характеризующего продольное перемешивание твердой фазы, в зависимости от режима сушки, степени заполнения аппарата, плотности материала инерта и исходной влажности продукта находятся в пределах Рет = 2^5. Эти данные свидетельствует о том, что однокорпусные аппараты по твердой фазе близки к аппаратам идеального смешения, что, в целом, снижает эффективность работы сушилок. Расчеты показывают [1], что, начиная с Рет > 40, отрицательное влияние продольного перемешивания твердой фазы на кинетику сушки сводится к минимуму.

Продольное перемешивание газовой фазы также снижает степень отработки теплоносителя. Как показали наши исследования, степень закручивания потока газа является одним из основных факторов, определяющих гидродинамическую обстановку в аппарате, его гидравлическое сопротивление и интенсивность тепло- и массообмена. Обработкой кривых вымывания газа-трассера (гелия) из аппарата [2] установлено, что с повышением скорости теплоносителя существенно увеличивается продольное перемешивание газовой

фазы. По экспериментальным данным получена зависимость:

п лгоп -0,627 тг 0,301 4-0,214

Рег = 358Яе , Ка’

(Явг = 700^2300; Ка = 0,06^0,16; а = 0^50),

где Явг = VС /уг - число Рейнольдса; Ка - степень заполнения рабочего объема аппарата твердым материалом; а - угол входа теплоносителя в аппарат; VС -скорость воздуха на входе в аппарат.

Зависимость (3) дает возможность количественно учитывать влияние указанных факторов на продольное перемешивание газовой фазы и разработать технические решения, направленные на повышение степени отработки теплоносителя. Вид полученного уравнения позволяет сделать вывод о том, что с увеличением степени закрутки теплоносителя на входе в аппарат число Рег увеличивается, что свидетельствует об улучшении структуры потока газовой фазы.

Проведенный анализ работы аппаратов СЗС показал возможность применения сушилок этого типа для непрерывной сушки полидисперсных термолабильных материалов при условии решения следующих задач:

1. Сушка материалов с существенной неоднородностью частиц по размерам;

2. Обеспечение минимальной неоднородности по времени пребывания частиц полидисперсного материала в сушильном аппарате;

3. Улучшение структуры потока твердой фазы для повышения эффективности сушильного аппарата;

4. Увеличение времени пребывания в аппарате для гарантированного удаления поверхностной влаги.

Анализ математических моделей тепло- и массопе-реноса [1, 2] и структуры потоков взаимодействующих фаз, дал основу для разработки новых конструкций сушилок (в частности продольно секционированных) и возможность дальнейшей интенсификации процесса конвективной сушки зернистых материалов с существенной полидисперсностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рудобашта С.П., Карташов ЭМ., Воробьев АМ, Кормильцин Г.С., Горелов А.А. Расчет кинетики и динамики процессов конвективной сушки // Теор. основы хим. технол. 1991. Т. 25. № 1. С. 25-32.

2. Воробьев АМ., Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Горелов А.А., Рудобашта С.П. Сушильные аппараты с активным гидродинамическим режимом // Вестн. ТГУ. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 2001. Т. 6. Вып. 2. С. 415-418.

3. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1985. 447 с.

4. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. Л.: Химия, 1979. 27 с.

5. Сушилка для суспензий и пастообразных материалов на инертных телах / Дмитриев В.М., Кормильцин Г.С., Рудобашта С.П., Воробьев А.М., Тарова Л.С. № 1778478, МКИ F 26 В 17/10; заявл. 06.04.90 // Изобретения (заявки и патенты). 30.11.92. № 44.

6. Сушилка для пастообразных материалов / Дмитриев В.М., Кор-мильцин Г.С., Воробьев А.М., Рудобашта С.П., Тарова Л.С. № 1666889, МКИ F 26 В 17/10; заявл. 02.01.89 // Изобретения (заявки и патенты). 30.07.91. № 28.

Поступила в редакцию 20 ноября 2004 г.