Исследование структуры потоков взаимодействующих фаз в продольно секционированном сушильном аппарате с закрученным взвешенным слоем

УДК

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ФАЗ В ПРОДОЛЬНО СЕКЦИОНИРОВАННОМ СУШИЛЬНОМ АППАРАТЕ С ЗАКРУЧЕННЫМ ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ

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

Англ резюме

При конструировании и эксплуатации сушильных аппаратов с активными гидродинамическими режимами особое значение уделяется гидродинамическим режимам, определяющим рабочие диапазоны скоростей теплоносителя и связанные с ними кинетические характеристики тепломассообменных процессов [1]. Для сушилок кипящего слоя (СКС) и сушилок взвешенного закрученного слоя (СЗС) основными характеристиками являются: критическая скорость начала псевдоожижения, соответствующая максимальному гидравлическому сопротивлению слоя; скорость начала устойчивого существования взвешенного слоя; скорость уноса материала из рабочей зоны сушилки; истинная объемная концентрация дисперсной фазы в рабочей зоне аппарата (удерживающая способность) [2].

При движении взвешенного потока материала по криволинейной траектории на дисперсную фазу действуют центробежная сила и сила трения частиц о стенку и между собой. Взаимодействие этих сил приводит к торможению частиц и увеличению относительной скорости газа и частиц.

При исследовании однокорпусных сушилок с закрученным взвешенным слоем установлено, что при увеличении центробежной силы, действующей на частицы материала, выше некоторой критической, основная масса материала оттесняется к стенке и возникает прорыв теплоносителя по центру аппарата, приводящий к неполному использованию сушильного агента.

Для повышения эффективности сушильных аппаратов с закрученными потоками материала выполнено продольное секционирование однокорпусного аппарата (рис. 1).

В двухсекционном аппарате (рис. 1) общий закрученный поток влажного материала разделен на два отдельных коаксиальных слоя (внешний и внутренний) материала, сообщающихся по твердой фазе. В каждый слой раздельно подается теплоноситель с независимыми регулируемыми параметрами. Это позволяет устанавливать требуемый гидродинамический и температурный режим для каждого из слоев. Влажный матери-

ал загружается с помощью питателя во внешний закрученный слой, где он поднимается спиралеобразно в режиме восходящего прямотока. Из внешнего слоя материал передается во внутренний слой, где спиралеобразно опускается в режиме нисходящего противотока и попадает в приемный бункер.

Стесненность потока, обусловленная внутренними поверхностями, должна снижать вероятность прорыва теплоносителя, что позволит применять более высокие скорости сушильного агента [3]. Следует отметить, что при продольном секционировании аппарата СЗС появляются дополнительные поверхности торможения частиц (стенки внутренних конусов), которые увеличивают количество заторможенных частиц материала. Кроме того, внутренние конуса приводят к стесненности потока твердой фазы, что, в целом, должно привести к увеличению коэффициентов тепло-массопереноса.

С другой стороны указанные особенности должны привести к увеличению гидравлического сопротивления секционированных аппаратов СЗС.

На рис. 2 показана зависимость гидравлического сопротивления АРа рабочей камеры двухслойной сушилки СЗС от расхода теплоносителя L и коэффициента заполнения аппарата Ка, выявляющая при развитии процесса ожижения характерный пик давления, превышающего номинальное давление для цилиндрического слоя в 1,28-1,3 раза. С увеличением коэффициента заполнения аппарата Ка сопротивление рабочей камеры сушилки возрастает. При увеличении расхода сопротивление рабочей камеры с материалом также возрастает, что связано с ростом сопротивлений пустого аппарата и слоя материала. При Ка > 0,3 и расходе теплоносителя Ь > 0,09 м3/с наблюдается повышенный вынос материала из аппарата отработанным теплоносителем и связанное с этим падение гидравлического сопротивления.

А

А-А

Рис. 1. Двухсекционная сушилка с закрученным слоем материала. 1 - внешний конус; 2 - внутренний конус; 3 - биконическая вставка; 4 - питатель; 5, 6 - патрубки подачи теплоносителя; 7 - приемный бункер; 8 - барабанный затвор; 9 - сепарационная камера

Ра, кПа

Ь, м3/с

Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления ДРа рабочей камеры двухслойной сушилки СЗС от расхода теплоносителя Ь и коэффициента заполнения аппарата Ка (высушиваемый материал - полистирол ПСН-115). Цилиндрическая часть аппарата: диаметр - 0,24 м, высота - 0,26 м. Коническая часть аппарата: диаметр нижнего основания - 0,1 м; угол раскрытия конуса - 30°

є

Н/На

Рис. 3. Распределение порозности е внутреннего взвешенного закрученного слоя (полистирол ПСМ-115 по высоте рабочей (конической) части аппарата: 1 - Ка = 0,05; 2 - Ка = 0,10; 3 -Ка = 0,15; 4 - Ка = 0,20

В момент перехода слоя из неподвижного состояния в псевдоожиженное сопротивление аппарата СЗС удовлетворительно описывается известной зависимостью [2]:

Д^сл = 3яесл /

где Осл - масса материала в слое; 5н и 5в - площадь нижнего и верхнего поперечных сечений аппарата.

Как показали эксперименты, при продольном секционировании в аппарате, состоящем из двух секций, удерживающая способность Ка примерно в 2+2,5

больше по сравнению с однокорпусным аппаратом. Это естественно приводит к соответствующему увеличению поверхности межфазного контакта и увеличению среднего времени пребывания тср частиц в аппарате, равному [4]:

?ср = Ссл / см .

Исследование порозности закрученного взвешенного слоя материала показало (рис. 3), что порозность слоя є не является постоянной величиной по высоте аппарата. По мере продвижения внешнего закрученного потока по высоте аппарата происходит вырождение закрутки и вертикальная составляющая скорости газовой фазы увеличивается, что обусловливает увеличение порозности слоя є закрученного взвешенного материала от начального єн и 0,7 до конечного єк и 1. В верхней части закрученного внешнего слоя при єк ^ 1 частицы материала выносятся из слоя и попадают во внутренний закрученный слой, где спиралеобразно опускаются в нижнюю часть аппарата. Во внутреннем закрученном слое гидродинамический режим менее активен, по сравнению с внешним слоем. Вертикальная составляющая скорости потока теплоносителя в нижней части аппарата составляет 1,1+1,15 от скорости витания частиц материала, что при условии постоянного поступления (подпора) частиц сверху приводит к выводу материала из аппарата.

Исследование продольного перемешивания твердой фазы проводилось методом анализа кривых вымывания трассера (меченые частицы материала) [5] при импульсном введении трассера. Экспериментальные данные по продольному перемешиванию представлены на рис. 4.

0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15

Ь, м3/с

Рис. 4. Зависимость числа Рет от расхода теплоносителя и коэффициента заполнения аппарата Ка для двухсекционного аппарата (рис. 1) с закрученными слоями материала

Как и предполагалось ранее, в многокорпусных аппаратах (рис. 1) введение дополнительных поверхностей и увеличение стесненности потока твердой фазы, проявляющейся при dм / <за > 0,1 [3], в совокупности

приводят к упорядочению структуры потока по сравнению с однокорпусными аппаратами. В этом случае устраняется прорыв теплоносителя по центру аппарата, имеющий место в однокорпусных аппаратах и приводящий к возникновению ускоренного выброса частиц из нижней части аппарата в верхнюю. Выбранный подход позволил улучшить структуру потока твердой фазы и довести Рет с 2+5 для однокорпусных аппаратов до 15+24 для многокорпусных.

Кроме того, раздельная подача теплоносителя по секциям позволяет назначать независимые требуемые параметры теплоносителя, в том числе и применение высокотемпературного теплоносителя в первых секциях аппаратов без опасности перегрева термолабильных материалов. Улучшенная структура потока твердой фазы позволяет существенно уменьшить дисперсию по времени пребывания частиц материала в рабочих зонах многосекционных аппаратов.

При движении полидисперсной смеси в потоке происходит взаимодействие мелких и крупных частиц материала. Эксперименты показывают, что в режиме восходящего прямотока мелкая фракция существенно увеличивает скорость крупных частиц за счет соударений. В режиме нисходящего противотока крупные фракции затормаживаются более мелкими частицами.

В нашем случае в секционированном аппарате (рис. 1) реализуются последовательные по твердой фазе режимы восходящего прямотока и нисходящего противотока. В секциях восходящего прямотока мелкие частицы за счет ударного воздействия увеличивают скорость движения крупных частиц, а в секциях нисходящего противотока крупные частицы уменьшают свою скорость при взаимодействии с более мелкой фракцией. Таким образом, указанная организация движения твердой полидисперсной фазы приводит к выравниванию времени пребывания полидисперсных частиц в исследуемых аппаратах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970. 432 с.

2. Айнштейн В.Г. Расчет удерживающей способности рабочей зоны в дисперсных системах // Хим. пром. 1997. № 5. С. 31-35.

3. Бабуха ГЛ., Рабинович М.И. Механика и теплообмен потоков полидисперсной газовзвеси. Киев: Наукова думка, 1969. 218 с.

4. Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. М.: Химия, 1988. 352 с.

5. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов / Под ред. М.Г. Слинько. М.: Химия, 1969. 621 с.

Поступила в редакцию ноября 2004 г.