Сушильные аппараты с активным гидродинамическим режимом

УДК 66.012

СУШИЛЬНЫЕ АППАРАТЫ С АКТИВНЫМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ

А.М. Воробьев, В.М. Дмитриев, Г.С. Кормильцам, А.А. Горелов, С.П. Рудобашта

Vorobiev A.M.. Dmitriev V.M., Komiiltsin G.S., Gorelov A. A., Rudohashta S.P. Drying apparatuses with an active hydro-dynamic regime. The article calculates some possibilities for the use of the proposed apparatuses.

Завершающей стадией многих технологических процессов является сушка влажных материалов, святящая, как правило, с улучшением качественных показателей готовой продукции. В последнее время в связи с развитием энергосберегающих технологий особенно остро ощущается необходимость оптимизации шгген-сивных процессов тепло-массообмена, протекающих во время сушки. Одним из перспективных направлений интенсификации процесса сушки влажных материалов является использование аппаратов с активными гидродинамическими режимами [1, 2], в том числе сушилок с плотными закрученными слоями. Работа подобных аппаратов характеризуется высокой степенью турбули-зации теплоносителя и значительной относительной скоростью движения взаимодействующих фаз, что обеспечивает высокие технико-экономические показатели процесса. Научный поиск в этом направлении привел к разработке целого ряда конструкций аппаратов для сушки влажных материалов в виде паст, суспензий и растворов (3-12]. Существенными преимуществами этих сушилок являются низкое гидравлическое сопротивление аппаратов (на 30-35 % меньше аппаратов фонтанирующего и кипяшего слоев) и высокий удельный влагосьем.

В этой серии аппаратов за базовый принят цилиндрический аппарат с нижней закруткой теплоносителя с заверителями тангенциального или улиточного типов (рис. 1). Все аппарата работают по единой схеме. В сушилку помещается инертный материал (гранулы полиэтилена, полипропилена, фторопласта и т. п.). Теплоноситель, подаваемый через тангециальиые ввода •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 аппарат!,I имеют конструктивные особенности, направленные на решение задач интенсификации тепло-массообмена, улучшения распределения влажного продукта но поверхности инертных частиц, усиления процессов истирания и скалывания высушенных продуктов с поверхности инерта.

На рис. 2 приведены кривые сушки суспензии биомассы, полученные на аппарате с улиточным завери-

телем. Биомасса содержит 3^4 % органических веществ и проявляет при сушке склонность к образованию агломератов. Исследования кинетики сушки биомассы в закрученном слое инертных частиц показали, что процесс сушки суспензии до влагосодержания 6 % проходит в первом периоде.

При автоматизированном проектировании тепломассообменной аппаратуры, в том числе и сушильных установок с закрученными потоками инертного носи-

гсгговый продугг

(мрвбО'1АННМЙ

влажный материал

I

•* •*:;: • • W • ••*'!•••• и •; : -/7 V-- *! • 'п

*  .’ /*7?7V‘

* )* * и

Y\ ** Hilii w ^ V i-;; •

геило постель

Рис. 1. Базовый цилиндрический аппарате нижней закруткой теплоносителя с завихрителями тангенциального или улиточного типов

скоростях теплоносителя на входе в аппарат: 1 - 8,3 м/с; 2 -6,5 м/с; 3 - 4,2 м/с. Температура теплоносителя 150° С

теля, предъявляются высокие требования к достоверности исходных данных, комплексу алгоритмов и программ расчета и параметрической оптимизации их вычислительной эффективности.

Для описания кинетики сутпки и расчета габаритов сушильного аппарата, анализа температурновлажностных полей при выборе рационального режима и оптимизации процесса применима диффузионная модель [13], учитывающая, что процесс протекает в первом периоде сушки. При этом принимается, что в поперечном сечении сушилки сушильный агент хорошо перемешан, и изменение его влагосодержания происходит только по длине аппарата. Учитывается также продольное перемешивание газовой фазы.

Поставленная задача по газовой фазе формулируется следующим образом:

є • іЬс = г -D2

dx1

-мсс-снас),

0 <х < Н\

Сс(*) = Се.„+^ dC

dCc л —— = 0, dx

dx

х=Н

х = 0;

где є - порозность слоя; ядс - скорость движения сушильного агента, м/с; Ог - коэффициент продольного

перемешивания газовой фазы, м2/с; Сс, С„ас - концентрация пара в ядре потока сушильного агента и в состоянии насыщения, кг/м3; РУ - объемный коэффициент массоотдачи, с-1; X - координата, м; И - высота (длина) аппарата; Сс н - начальная концентрация пара в ядре сушильного агента.

Координата х ориентирована по направлению движения газовой фазы, а начало координат связано с местом ввода сушильного агента в аппарат.

Описание температурного ноля сушильного агента можно записать аналогично:

= 0 <Х<Н\

dx

dxL С,

. . DP dtc

tc(x) = tc„ +-£-——, c C'H dc dx

x = 0;

^ = 0, dx

x=H ,

где ,tcu - температуры сушильного агента,

мокрого термометра, начальная сушильного агенга, °С;

av - объемный коэффицие!гг теплоотдачи, Вт/(м2 К).

Для твердой фазы также с учетом продольного перемешивания твердой фазы имеем:

bj — = Df • -К(и -uh), 0 <х < Н;

dx dx2

. DT du

и(х) = ин+-^——, uT dx

х=();

* =о

dx

X =11

где и,ин,ир - текущее, начальное и равновесное влагосодержание материала, кг влаги / кг сухого материала; О-р - коэффициент продольного перемешивания твердой фазы, м2/с; "др - скорость движения твердой фазы, м/с; К - коэффициент сушки, с-1.

Численный эксперимент [3] на основе решения (1) показал существенное влияние продольного перемешивания твердой фазы на величину конечной влажности высушенного материала. Исследование продольного перемешивания твердой фазы проведено обработкой кривых отклика на импульсное возмущение (меченые частицы инертного носителя) [14]. Для однокорпусных аппаратов значения критерия Ре, характеризующего продольное перемешивание, в зависимости от режима сушки, степени заполнения аппарата, плотности материала инерта и исходной влажности продукта находятся в пределах 2-5. Эго свидетельствует о том, что эти аппараты по твердой фазе более близки к аппаратам идеального смешения, что, в целом, снижает эффективность работы сушилок.

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. Продольное перемешивание газовой фазы также снижает степень отработки теплоносителя. Нами установлено (4) методом вымывания газа-трассера из аппарата, что с повышением скорости теплоносителя существенно увеличивается продольное перемешивание газовой фазы. Полученные зависимости Ре = /(И.е, ф,а) (4) позволили количественно

учитывать влияние указанных факторов на продольное перемешивание газовой фазы и разработать технические решения, направленные на повышение степени отработки теплоносителя. Анализ полученного уравнения позволяет сделать вывод, что с увеличением степени закрутки теплоносителя на входе в аппарат число Ре увеличивается, что говорит об улучшении структуры потока газовой фазы.

Ре„„ = 358Яе -°-627 Фадо,(со5 а)-*-214,

где Яе - число Рейнольдса; (р - степень заполнения рабочего объема аппарата материалом; а - угол входа теплоносителя в аппарат.

Обзор научной литературы в области исследований сушки в закрученных потоках показал, что значения коэффициентов межфазного массо- и теплообмена известны весьма приблизительно и, в лучшем случае, могут быть заданы некоторым интервалом возможных значений.

При исследовании кинетики сушки различных материалов в аппарате с закрученным потоком теплоносителя (рис. 1) были получены критериальные зависимости для определения объемного коэффициента массоотдачи. Для суспензий:

Nu

mV

= 610-‘ Re1-64 Ar^Ou^ Pr^;35(cos a)-2J4.

Для паст:

Л'нту =7,17-10-6Re ~68 Аг0М2Сги0-'33 Рг£35Ф -'-7(cos а)4-4.

Как показывает численный анализ уравнений теп-ло-массопереноса, дальнейшее существенное повышение эффективности сушильных аппаратов с закрученными слоями можно достигнуть организацией упорядоченного движения твердой фазы в рабочей зоне за счет продольного или поперечного секционирования аппаратов. Для аппаратов кипящего слоя (1) эффективным приемом, снижающим отрицательное воздействие продольного перемешивания, является переход от цилиндрической формы аппарата к лотковой. Для разработанной новой группы аппаратов (на рис. 3, 4 представлены наиболее типичные из них) улучшение структуры потоков достигнуто за счет разделения общего закрученного потока влажного материала на отдельные коаксиальные слои, сообщающиеся по твердой фазе и разделенные по газовой фазе. При таком конструктивном решении организуются два и более закрученных потока инертного носителя, между которыми постоянно происходит направленный циркуляционный обмен инертом. Направление закрутки выбрано способствующим направленной передаче инерта через нижние окна и верхние срезы коаксиальных конусов. При таком исполнении аппаратов частицы инерта, подаваемые во внутренний закрученный слой, поднимаются в нем спиралеобразно и на выходе из него попадают во внешний закрученный слой, где также спиралеобразно опускаются вниз. При этом вертикальная составляющая скорости теплоносителя в восходящих закрученных потоках Hiiqrra составляет 1,1-1,15 от скорости свободного витания, а в нисходящих потоках - 0,85-0,95.

Оптимальные гидродинамический и тепловой режимы устанавливаются раздельно по корпусам. Организованная и регулируемая циркуляция инерта позволила пространственно разнести стадии нанесения влажного материала на инерт, обкатки, высушивания и отделения высушенного продукта (отслаивания или истирания), каждая из которых имеет свой оптимальный режим. Экспериментально установлено, что в стесненных условиях (в узких кольцевых взвешенных слоях) снижается вероятность агрегатирования инерта, инерт постоянно ударно контактирует с поверхностью стенок, закрутка слоя по высоте аппарата вырождается не столь быстро. Выбранный подход позволил улучшить структуру потока твердой фазы и до веста критерий Пекле с 2-5 для однокорпусных аппаратов до 10-15 для двухкорпусных и до 18-22 для трехкорпусных. Раздельная подача теплоносителя позволяет назначать оптимальные режимы в рабочих зонах аппарата, не допуская перегрева материала.

Улучшенная структура потока твердой фазы приближает установки к аппаратам идеального вытеснения по твердой фазе, что позволяет использовать высокотемпературный теплоноситель без опасности перарева и термодеструкции высохших частиц материала.

Учитывая, что при эксплуатации таких аппаратов возможны изменения начальной влажности высушиваемого материала и исходных параметров сушильного

агента, авторы разработали конструкции регулирования гидродинамического режима, что позволяет изменять в некоторых пределах время пребывания материала в зоне сушки. Для расчета гидравлического сопротивления сушилок получено уравнение:

Ей = 176Re _0'44 Fr~°']2Ar°'] (cos а)-0’12 <р0’35.

Разработанные аппараты компактны, имеют многофункциональное и многоцелевое назначение, могут быть легко адаптированы для широкого ряда пищевых и химических продуктов, использоваться для полидис-персных и термолабильных материалов.

В зависимости от свойств высушиваемых материалов и требований технологии конструктивные исполнения разработанной серии аппаратов позволяют решать следующие задачи как отдельно, так и в комплексе:

- интенсификации тепломассообмена (общей, по-корпусной, локальной);

- улучшенного распределения влажного материала по поверхности штерта;

- объемного разделения процессов нанесения, сушки и отслаивания материала;

- раздельного послойного регулирования параметров теплоносителя;

- регулирования структуры потоков твердой фазы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии Л.: Химия, 1968.

2. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984

3. Воробьев AM., Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С. Сушилка А с. 1416828 СССР//Б и 1988. №28.

4. Дмитриев ВМ., Кормит,цин Г.С.. Воробьев AM., Лысова С.В.

Установка для сушки пастообразных материалов: А.с. 1366825

СССР//Б.и. 1988 №2.

5. Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Воробьев AM., Тарова JI.C. Сушилка для пастообразных материалов: А.с. 1592688 СССР // Б. и 1990. № 34.

6. Дмитриев ВЛІ., Руообашта С.П., Кормильцин Г.С., Воробьев AM., Тарова JI.C Сушилка для пастообразных материалов А.с. 1666898 СССР//Б.и. 1991 №28.

7. Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Воробьев AM., Тарова Л.С Установка для сушки пастообразных материалов А.с. 1603163 СССР// Б.и 1990. № 40.

8. Воробьев AM.. Рудобашта С.П. Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Горелов А.А.., Белевитина И.А. Сушилка для суспензий и пастообразных материалов: А.с. 1383067 СССР//Б.и 1988. № 11

9. Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Тарова Л.С., Рудобашта С.П Сушилка для сушки суспензий и пастообразных материалов: А.с. 1698601 СССР//Б и 1991 №46

10. Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Тарова Л.С., Рудобашта С.П. Сушилка для сушки суспензий и пастообразных материалов в слое инертных тел Ас 1695088 СССР//Б и 1991. №44

11. Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Тарова Л.С., Рудобашта С.П. Установка для сушки суспензий и пастообразных материалов на инертных телах: Ас. 1688082 СССР//Б.и 1991 №40

12. Дмитриев ВМ., Кормильцин Г.С., Тарова Л.С., Рудобашта С.П Установка для сушки суспензий и пастообразных материалов на инертных телах А.с 1778478 СССР //Б. и 1992. №44

13 Руообашта С. П., Карташов ЭМ., Воробьев AM.. Кормильцин Г.С., Горелов А.А. Расчет кинетики и динамики процессов конвективной сушки //Теор. основы хим. техиол. 1991. Т. 25. № I. С. 25.

14 Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов Л.. 1969 621 с.

Поступила в редакцию 12 декабря 2000 г.