Вакуумно конвективная сушка измельченного растительного сырья

УДК 674.04

Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасамшим, А. Ф. Гараева, А. И. Ахметов

ВАКУУМНО КОНВЕКТИВНАЯ СУШКА ИЗМЕЛЬЧЕННОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Ключевые слова: древесно-наполненные композиционные материалы, сушка, целлюлозосодержащие волокнистые материалы.

Для производства древесно-наполненных композиционных материалов в основном, применяются различные отходы деревообрабатывающих и сельскохозяйственных производств. Одним из основных и энергозатратных операций подготовки наполнителей является сушка, доля энергетических затрат на которую в структуре себестоимости продукции достигает значительных величин. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий является одним из важных направлений повышения эффективности производства. В статье представлены результаты исследований технологии конвективной сушки измельченной древесины, которые позволили получить оптимальные режимные параметры предложенного процесса.

Keywords: wood- filled composites, drying, cellulose fiber materials.

Various wood waste and agricultural industries mainly used for the production of wood-filled composite materials. Meanwhile, one of the basic and energy-consuming operations offillers preparation is drying, the share of energy costs of which in the cost structure ofproduction reaches the significant quantities. Therefore, the introduction of the energy saving technologies is one of the important directions of increase ofproduction efficiency. The article presents the results of investigations of convective drying technology chopped wood, which yielded the optimum operating parameters of the proposed process.

Введение

В настоящее время одним из основных способов получения материалов с заданными свойствами является создание композиций на основе известных широко используемых в практике веществ (минеральных вяжущих, полимеров) и различных наполнителей природного и синтетического происхождения (песок, отходы деревообработки и сельскохозяйственного производства).

Для производства древесно-наполненных композиционных материалов - арболита, цементно-стружечных плит, древесно-полимерных композитов, древесно-стружечных плит в основном, применяются различные отходы деревообрабатывающих (низкосортная древесина, тонкомер, щепа, станочная стружка) [1-3] и сельскохозяйственных производств (стебли хлопчатника, рисовой соломы, костра льна) [4].

При этом древесное и растительное сырье, перерабатываемое в щепу и стружку, как правило, имеет высокую влажность (60-100%). В то же время влажность волокнистого наполнителя перед изготовлением композиционного материала должна быть в пределах 2-6% [5]. Более того, в последнее время на предприятиях по выпуску древесно-стружечных плит древесный наполнитель высушивают до 1-3% независимо от ее назначения [6, 7].

С целью интенсификации процесса на предприятиях сушку обычно проводят при высоких температурах (температура сушильного агента в начальный период может доходить до 250°С [8]), что повышает не только пожароопасность, но и взрыво-опасность производства.

В этой связи исследование процессов высушивания измельченного древесного и растительного сырья в условиях пониженного давления является актуальным, так как применение вакуумных технологий позволяет значительно интенсифицировать процесс при температурах не более 100°С [9].

Однако при реализации вакуумных способов возникают существенные трудности подвода тепла. Известные способы подвода тепла в вакууме, такие как СВЧ-энергия и контактные методы, являются дорогостоящими и не позволяют достичь равномерной влажности всего высушиваемого материала [1012]. Поэтому наиболее перспективными в области вакуумной сушки древесины являются способы при конвективном теплоподводе. В связи с этим можно выделить метод конвективной сушки материалов при стационарном пониженном давлении. Основное технологическое отличие данного способа состоит в том, что сушка происходит при постоянном подводе тепла конвекцией в разряженной среде. Вследствие чего возможно использование более низких температурных режимов, что приводит к существенному снижению энергетических затрат на сушку.

Методы и материалы

В связи с этим были проведены исследования по конвективной сушке измельченного древесного сырья при стационарном пониженном давлении.

Для проведения экспериментальных исследований была создана шахтная сушильная установка с вертикальной циркуляцией теплоносителя. На рис. 1 представлена функциональная схема установки.

Комплекс для сушки измельченных материалов состоит из системы подачи влажного сырья 1, камеры сушки 2, системы откачки воздуха 3, системы циркуляции сушильного агента 4 и линии выгрузки высушенного сырья 5.

Система подачи влажного сырья 1 состоит из загрузочного бункера 6, питателя 7, вакуумных затворов 8 и 9 и передающего герметичного бункера 10.

Камера сушки 2 содержит набор перфорированных наклонных полок 11 с увеличивающимся сверху вниз диаметром отверстий, но постоянной суммой площадей отверстий на разных наклонных полках для обеспечения равномерности расхода сушильного агента. Полки закреплены на внутреннем каркасе камеры сушки с возможностью создания

вибронагревающего слоя и приводятся в движение при помощи вибропривода 12. Для фиксации остаточного давления в камере сушки 2 предусмотрен манометр 13.

Система откачки воздуха 3 состоит из конденсатора 14, вентилей 15 и 16, вакуумного насоса 17.

Система циркуляции сушильного агента 4 состоит из трубопровода, куда вмонтированы вентилятор 18 и калорифер 19. Линия выгрузки высушенного сырья состоит из вакуумных затворов 20 и 21, и промежуточного герметичного бункера 22.

The dried material

Рис. 1 - Схема установки для сушки влажных измельченных материалов

Комплекс для сушки влажных волокнистых измельченных материалов работает следующим образом. Влажное сырье через загрузочный бункер 6 при открытом вакуумном затворе 8 поступает в передающий герметичный бункер 10, при этом количество поступившего сырья регулируется при помощи питателя 7.

После подачи определенной порции высушиваемого сырья в передающий герметичный бункер 10, вакуумный затвор 8 закрывается. При этом закрыты вакуумные затворы 9, 20 и 21, и вентили 15 и 16. Одновременно начинается прогрев камеры сушки 2 включением вентилятора 18 и калорифера 19, при котором создается циркуляция сушильного агента

через перфорированные наклонные полки 11.

Далее открывается вакуумный затвор 9. Происходит подача влажного сырья на перфорированную верхнюю полку. При этом начинается стадия понижения давления в камере сушки 2, рабочее остаточное значение которого определяется согласно плану эксперимента. Процесс вакуумирования производиться открытием вентиля 16, подачей хладагента в конденсатор 14 и включением вакуум-насоса 17.

В камере сушки 2 движение сушильного агента и влажного сырья осуществляется в попутном направлении сверху вниз, причем происходит постоянная сепарация измельченного материала, определяющая время тепловой обработки частицы сырья в зависи-

мости от её размеров. Перфорированные наклонные полки расположены таким образом, что мелкая фракция, просеиваясь через их отверстия, проходит более короткий путь, и, тем самым, сокращается продолжительность тепловой обработки более мелкой фракции. Более крупная фракция перемещается на нижележащую полку через специальный проем или путем просеивания через отверстия полок и проходят более длинный путь. Таким образом, достигается равномерная сушка крупных и мелких фракций.

Далее высушенный материал из камеры сушки 2 через открытый вакуумный затвор 20 попадает в промежуточный герметичный бункер 22. Одновременно происходит разгерметизация камеры сушки с помощью вентиля 23.

После заполнения промежуточного бункера 22 закрывается затвор 20 и открывается вакуумный затвор 21, и происходит выгрузка высушенного материала.

В работе в качестве измельченной древесины были использованы отходы после переработки древесины хвойных и лиственных пород (осина, береза, сосна) на деревообрабатывающих станках столярного цеха. Максимальными размерам измельченной древесины до 30 мм.

Результаты

С целью интенсификации процесса и снижения риска самовоспламенения обрабатываемого влажного материала процесс сушки проводится при пониженном давлении. На рис. 2. представлена зависимость температуры сушильного агента от остаточного давления в камере сушки.

Для удобства управления процессом сушки измельченного сырья была получена функциональная зависимость позволяющая регулировать давление в

N, 1/min 1,8

И

А,

/ 2 3

аппарате программными средствами

Р=0,0325 Т2-3,0121Т+80,694.

При моделировании процессов конвективной сушки влажного измельченного сырья в разреженной среде были проведены исследования, в которых варьировалось значение остаточного давления среды на стадии сушки в интервале 30-100 кПа (рис. 3).

10 20 30 40

50 60 70

Presiduab ^Р^

90 100 120

Рис. 2 - Зависимость температуры сушильного агента от остаточного давления в камере

Как видно из характера кривых сушки (см. рис. 3) снижение давления среды значительно интенсифицирует удаление влаги из материала, что особенно заметно при испарении свободной влаги. В тоже время глубокое разрежение среды (35 кПа) не позволяет максимально сократить продолжительность процесса, что объясняется значительным уменьшением коэффициента теплоотдачи между теплоносителем и влажным сырьем. На рис. 4 иллюстрируются зависимости времени сушки материалов от скорости движения теплоносителя.

^3

44 2

h

Jy 1

10

20

30

40

50

60

70 U, %

10 0

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

t, min

Рис. 3 - Кривые сушки и скорости сушки измельченной древесины при различных остаточных давления среды в камере: 1 - Рост = 100 кПа; 2 - Рост = 75 кПа; 3 - Рост = 50 кПа; 4 - Рост = 35 кПа

65

5 6

v, м/s

Рис. 4 - Зависимость времени сушки от скорости движения теплоносителя

Из представленных кривых видно, что чем выше скорость циркуляции среды, тем меньше продолжительность процесса сушки, что может объясняться увеличением значения коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи.

Заключение

В данной работе проведены исследования по вакуумной сушке целлюлозосодержащих волокнистых материалов, используемых при производстве композиционных материалов. Разработана пилотная установка, позволяющая интенсифицировать и снизить пожароопасность процесса сушки измельченной древесины.

На основе проведенных исследований было выявлено, что снижение рабочего давления в сушильной камере, значительно интенсифицирует удаление воды из целлюлозосодержащего материала, что особенно заметно при испарении свободной влаги.

В результате моделирования удаления свободной влаги из древесины, было получено, что снижение остаточного давления в аппарате до значений 50-60 кПа вызывает наибольшую интенсификацию процесса. При этом наиболее рациональными являются температурные режимы в интервале 84-87 °С при скорости движения теплоносителя 7-8 м/с. Дальнейшее понижение давления к такому результату не приводит, поскольку наблюдается значительное уменьшение коэффициента теплоотдачи. Снижение энергетических затрат на проведение сушки обеспечивается за счет сокращения продолжительности процесса без применения высокотемпературных режимов и возможностью использования вторичных ресурсов тепловой энергии.

Представленная работа выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-5596.2016.8).

Литература

1. Safin, R.R., Voronin, A.E., Shaikhutdinova, A.S., Nazipo-va, F.V., Kaynov, P.A. Method of rational use of waste of timber industries Multidisciplinary Scientific GeoConfe-rence Surveying Geology and Mining Ecology Management,

SGEM. Albena. Bulgaria. 2015. P. 53-58.

2. Safin, R.R., Shayakhmetova, A.H., Nazipova, F.V., Time-rbaeva, A.L., Safina, A.V. Alternative types of solid biofuels and their comparative characteristics. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. Albena. Bulgaria. 2015. P. 53-58.

3. Safin, R.G., Lashkov, V.A., Golubev, L.G., Safin, R.R. Mathematical model of vacuum-oscillating drying of lumber, Journal of Engineering Physics and Thermophysics (In-zhenerno-Fizicheskii Zhurnal), 2002. Vol. 75, N 2, pp. 384389.

4. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Н.Р. Галяветдинов, Ф.Г. Валиев // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология, 12, 104-106, (2008).

5. Р.Р. Сафин, И.А. Валеев, Р.Г. Сафин // Вестн. Москов. гос. унив. леса 2, 168-173, (2005).

6. Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вестн. Казан. технол. унив, 12, 241-245, (2011).

7. Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.А. Оладышкина, Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, П.А. Кайнов, И.А. Кузьмин, М.А. Мазохин, А.Р. Шайхутдинова, Т.Н. Ахтямова, А.Е. Воронин // патент на изобретение RUS 2425305 04.03.2010.

8. Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Р.А. Халитов, Е.И. Байгиль-деева // Вестн. Казан. технол. унив., 3, 131-133, (2012).

9. The influence of the internal structure and dispersity to structural-mechanical properties of oil systems Syunyaev R.Z., Safieva R.Z., Safin R.R. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2000. Т. 26. № 1-4. С. 31-39.

10. Р.Р. Сафин, Н.Ф. Кашапов, А.В. Канарский, Е.Ю. Разумов, Д.А. Ахметова // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 3-4, 104-110, (2009).

11. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, П.А. Кайнов // Вестн. Казан. технол. унив., 23, 76-78, (2013).

12. Ю.Н. Зиятдинова, Ф.Г. Валиев, Р.Р. Хасаншин, А.Н. Николаев // Вестник Казан. технол. унив., 22, 31-35, (2011).

13. Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Ф.Г. Валиев, Р.В. Данилова // Вестн. Казан. технол. унив., 7, 64-66 (2012).

14. Р.Р. Сафин, Н.Р. Галяветдинов, Р.Г. Сафин, Р.Р. Хасаншин, И.А. Валеев, Е.Ю. Разумов, П.А. Кайнов, Л.И. Аминов // Патент на изобретение RUS 2464162 14.0 2.2011.

15. Р.Р. Хасаншин, Ф.Г. Валиев // Деревообрабатывающая промышленность, 4, 27-30 (2012).

16. Н.Р. Галяветдинов, В.А. Лашков, А.Н. Николаев // Вестник Казан. технол. ун-та 20, 112-115

17. Н.Р. Галяветдинов // Деревообрабатывающая промышленность, 1, 025-027 (2012).

18. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова // Дизайн. Материалы. Технология, 3, 95-98 (2010).

19. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Гильмиев, Ф.Г. Валиев // Деревообрабатывающая промышленность, 5, 22-23, (2008).

20. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Н.Р. Галяветдинов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики 11-12, 159-163, (2008).

21. Е.Ю. Разумов, Ф.Г. Валиев, Р.Р. Хасаншин // Вестн. Казан. технол. унив., 9, 463-468, (2010).

© Р. Р. Сафин - д.т.н., профессор, зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ, cfaby@mail.ru; Р. Р. Хасаншин - к.т.н., доцент каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ olambis@rambler.ru; А. Ф. Гараева - магистр каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ, chebesh@bk.ru; А. И. Ахметов - магистр каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины, КНИТУ, olambis@rambler.ru.

© R. R. Safin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «Architecture and design of products from wood», KNRTU, cfaby@mail.ru; R. R. Khasansnin - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of «Architecture and design of products from wood», KNRTU, olambis@rambler.ru; A. F. Garaeva - Master student of the Department «Architecture and design of products from wood», KNRTU, chebesh@bk.ru; A. 1 Ahmetov - Master student of the Department «Architecture and design of products from wood», KNRTU, olambis@rambler.ru.