Некоторые проблемы моделирования процессов сушки от органических растворителей

Некоторые проблемы моделирования процессов сушки от органических

растворителей

А.Н. Пахомов, С.В. Васенина, И.А. Бирюкова, Е.Ю. Комбарова,

И.Г. Позднышева Тамбовский государственный технический университет, Тамбов

Аннотация: В статье рассмотрены применяемые способы организации процесса сушки материалов от органических растворителей. Представлены типовые кинетические кривые, наблюдаемые при испарении растворителей. Приведены полученные и рекомендуемые уравнения для расчета интенсивности испарения и температуры поверхности испарения в первом периоде. Проведен анализ важнейших научно-технологических проблемам, возникающих при внедрении новых технологий сушки.

Ключевые слова: моделирование, расчет, сушка, растворитель, кинетика, испарение, энергосбережение.

Органические растворители обладают специфическими теплофизическими и диффузионными свойствами: как правило, они легколетучи, пожароопасны и токсичны [1]. Качество высушиваемых материалов сильно зависит от механизма испарения и от температурной кинетики, которая сама зависит от механизма испарения и определяет скорость химических и реологических процессов [2]. Отсюда вытекает необходимость учета конструктивных особенностей применяемого оборудования и, соответственно, решение проблем экспериментальных исследований, инженерных расчетов и моделирования, энергоресурсосбережения [3].

Основными применяемыми схемами и способами испарения растворителей и сушки покрытий, как правило, являются схемы с комбинированным теплоподводом, предусматривающие, при необходимости, операции отверждения или другой обработки покрытий, рекуперации или дожигания паров растворителя и т.п. На практике распространены следующие комбинации теплоподвода к высушиваемому продукту:

а) конвективно-сопловой теплоподвод,

б) кондуктивно-конвективный теплоподвод,

в) кондуктивно-сопловой теплоподвод,

г) инфракрасно-кондуктивный теплоподвод,

д) инфракрасно-конвективный теплоподвод с одновременным дожиганием паров растворителя на катализаторе,

е) сушка в перегретом водяном паре с отводом смеси конденсата растворителя и воды на отстаивание и очистку,

ж) сушка в среде азота с отводом конденсата и возвратом азота, насыщенного парами растворителя, в цикл,

з) сушка в собственных парах растворителя с отводом конденсата и подсасываемого воздуха [2-4, 6].

В промышленности до сих пор обычно используются простейшие из этих схем. При этом рекуперация растворителей производится, в основном, периодической адсорбцией [5]. Взрывобезопасность обеспечивается отводом статического электричества и работой на концентрациях ниже взрывоопасной концентрации, а иногда запретом рециркуляции. При этом сохраняются экологические и экономические проблемы газовых выбросов и промышленных стоков [7].

Вопросы использования перспективных, более эффективных, но и более сложных схем ставятся давно и многократно. Однако их промышленная реализация сталкивается со многими проблемами, основными из которых являются проблемы экспериментального определения кинетики сушки, выбор корректных уравнений для расчета тепло-массообмена, адекватный подбор оборудования.

Для получения надежных экспериментальных результатов по скорости и температуре испарения растворителей различной природы нами

:

использовалась экспериментальная установка, разработанная на основе аспирационного психрометра [8]. Схема установки представлена на рис. 1.

Типичные кинетические кривые, получаемые при сушке некоторых растворителей, представлены на рис. 2. Для расчета и моделирования кинетики сушки предлагаются следующие критериальные уравнения для тепло-массоотдачи при испарении:

Шр = 0,77Яе°,4 Бс0,333К^333;

Ш

а

1,06Яе°,375 Рг0,333 К ¿Л5.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования кинетики сушки материалов от органических растворителей.

I, С

Рис. 2. Кинетические кривые сушки фильтровальной бумаги от выбранных растворителей (этиленгликоль, бутилацетат, четыреххлористый

углерод, вода): Тс = 100 °С; = 5 м/с.

Примеры корреляций экспериментальных и соответствующих им расчетных данных по интенсивности испарения т представлены на рис. 3. Погрешности составили: по температуре испарения Тмт ~ 2 °С, по скорости испарения ~ 10 %, по времени процесса сушки ~ 10... 15 % [6].

Важнейшими научно-технологическими проблемами при внедрении новых технологий сушки являются вопросы механизма и кинетики сушки, которые при обработке покрытий сильно осложняются, вплоть до образования экстремумов на кинетических кривых [9]. С ними связано качество покрытий и дефектообразование. Разработанные подходы к моделированию образования поверхностных пузырьков-дефектов, кинетики химических и реологических процессов при сушке показаны, например, в [10, 11].

Проблемы реализации эффективных, энерго-ресурсосберегающих и экологичных схем сушильно-термического оборудования для испарения

1К1 Инженерный вестник Дона. №4 (2017) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n4y2017/4486

растворителей и обработки покрытий удовлетворительного промышленного решения в мировой практике до сих пор не нашли, прежде всего, из-за сложности отыскания надежных инженерно-конструкторских решений, казалось бы, во внешне простых вопросах.

П1рас'

; (17

1 ш 1 1 1

0

гп

Рис. 3. Корреляции экспериментальных и расчетных данных по интенсивности испарения выбранных растворителей (Тс = = 60... 160 °С; = 0.1...5 м/с).

Приведем некоторые примеры:

1) При сушке покрытий от растворителей в ленточных установках, наличие щелей для входа и выхода полотна, даже при устройстве завес, приводит к выбросам пара с конденсацией на оборудовании и материале или к подсосам воздуха, приводящим к необходимости последующего удаления из них растворителя, взрывоопасности, потерям, вредным выбросам [2].

2) На ленточных сушилках операции стыковки, проводки полотна, стыков рулонов и узлов, заправки и перезаправки надежно решаются только на простейших схемах

3) Формирование на поверхности аппаратуры агрегатов пыли пропиточно-промазочных составов вместе с ворсом и пылью от материала

приводят к необходимости неудобной чистки, возгораниям, загрязнению обрабатываемого материала и браку [4].

4) Отвод конденсата в замкнутых схемах сушильного агента сопровождается удалением подсосанного в аппарат воздуха, насыщенного парами растворителя.

Многие из вопросов такого рода, даже при большом опыте проектирования, изготовления и эксплуатации, часто обнаруживаются уже при испытаниях опытных натурных образцов машин, что связано с большими затратами [1, 2, 6].

Вопросы энергосбережения путем теплоутилизации и теплотрансформации, при сушке от органических растворителей по сравнению с сушкой от воды, также актуальны и аналогичны. Их решение может несколько облегчаться меньшими теплотами испарения и температурами, но затрудняться наличием конденсирующихся и пожароопасных паров [6].

Решение проблем совершенствования процессов и оборудования для испарения растворителей и обработки покрытий в целом аналогичны проблемам совершенствования других сушильно-термических производств, но имеет свои специфические вышеупомянутые особенности. Успешное решение этих проблем возможно только при комплексном подходе к научно-познавательной стороне процессов - пониманию их механизма и кинетики и к изобретательско-конструкторской стороне разработок, с целеустремленным отысканием решений, учитывающих все реалии, лимитирующие работоспособность и надежность оборудования.

Литература

1. Пахомов, А.Н. Сушка капель жидких дисперсных продуктов/ А.Н. Пахомов, Ю.В. Пахомова - М.: Издательство «Перо», 2013. - 122с.

2. Коновалов, В.И. Современные аналитические подходы к энергосбережению, интегрированный подход, пинч-анализ, луковичная модель / В.И. Коновалов, Т. Кудра, А.Н. Пахомов, А.Ю. Орлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2008. Т. 14. № 3. С. 560-578.

3. Гатапова, Н.Ц. О температурных площадках при низкои высокотемпературной кондуктивно-барабанной сушке влажных материалов/ Н.Ц. Гатапова, В.И. Коновалов, А.Н. Колиух, А.Н. Пахомов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2004. Т. 10. № 41. С. 968-977.

4. Гатапова, Н.Ц. Теплофизические и кинетические особенности сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов / Н.Ц. Гатапова, В.И. Коновалов, А.Н. Шикунов, А.Н. Пахомов, Д.В. Козлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2003. Т. 9. № 2. С. 210-229.

5. Богомягких, В.А. К определению условного диаметра реальной частицы дискретного сыпучего тела / В. А. Богомягких, А. Л. Климович, А.С. Ляшенко // Инженерный вестник Дона, 2014, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2468

6. Пахомов, А.Н. Кинетика сушки дисперсий на твердых подложках: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.08: защищена: 16.03.2001 / Пахомов Андрей Николаевич. - Тамбов, 2000. - 225 с.

7. Савушкин, А.В. Электроаэрозольное увлажнение воздуха. Особенности подбора параметров работы генератора / А.В. Савушкин, П.Л. Лекомцев, Е.В. Дресвянникова, А.М. Ниязов // Инженерный вестник Дона, 2012, № 2. URL:ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/857

8. Pakhomov A.N. Method of determination of adhesion of the film dries distillery grains on the substrate/A.N. Pakhomov, R.Y. Banin, E.A. Chernikh, E.Y.

Loviagina, N.S. Sorokina // Applied and Fundamental Studies : Proceedings of the 5th International Academic Conference. - St. Louis, USA: Publishing House Science and Innovation Center, 2014. - pp. 71-72.

9. Pakhomova Yu.V. Product supply and monitoring of fluidized bed/ Yu.V. Pakhomova, M.A. Mamedova, D.A. Krivopalova, V.V. Kochetov// European Applied Sciences: challenges and solutions 2nd International Scientific Conference. Stuttgart, Germany, 2015. - pp. 121-122.

10. Pakhomova Yu.V. Modeling the kinetics of drying of liquids on the substrate/Pakhomova Yu., Sirotkin A., Skripnikova S., Zagrebnev R.// Science and practice: a new level of integration in the modern world. Sheffield, UK, 2016. -pp. 168-169

11. Pakhomova Yu.V. To calculate the shape of a drop lying on a horizontal surface/Pakhomova Yu., Biryukova I., Vasenina S., Kombarova H., Pozdnisheva I.// Science and practice: a new level of integration in the modern world. Sheffield, UK, 2016. - pp. 170-171.

References

1. Pakhomov, A.N. Sushka kapel' zhidkikh dispersnykh produktov [Drying drops of liquid dispersed products]. A.N. Pakhomov, Yu.V. Pakhomova. M.: Izdatel'stvo «Pero», 2013. 122p.

2. V.I. Konovalov, T. Kudra, A.N. Pahomov, A. Ju. Orlov Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2008. V. 14, №3. pp.560 - 578.

3. N.Z. Gatapova, V.I. Konovalov, A.N. Koliukh, A.N. Pahomov Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2004. V. 10, №4-1. pp.968 - 977.

4. N.Z. Gatapova, V.I. Konovalov, A.N. Shikunov, A.N. Pahomov, D.V. Kozlov Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2003. V. 9, №2. pp. 210 - 229.

5. Bogomyagkikh V.A., Klimovich A.L., Lyashenko A.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2468

6. Pakhomov, A.N. Kinetika sushki dispersiy na tverdykh podlozhkakh [The kinetics of drying of the dispersions on solid substrates]: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.17.08: zashchishchena : 16.03.2001. Pakhomov Andrey Nikolaevich. Tambov, 2000. 225 p.

7. Savushkin A.V., Lekomtsev P.L., Dresvyannikova E.V., Niyazov A.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/857

8. A.N. Pakhomov, R.Y. Banin, E.A. Chernikh, E.Y. Loviagina, N.S. Sorokina Applied and Fundamental Studies : Proceedings of the 5th International Academic Conference. St. Louis, USA: Publishing House Science and Innovation Center, 2014. pp. 71-72.

9. Yu. V. Pakhomova, M.A. Mamedova, D.A. Krivopalova, V.V. Kochetov European Applied Sciences: challenges and solutions. 2nd International Scientific Conference. Stuttgart, Germany, 2015. pp. 121-122.

10. Yu. Pakhomova, A. Sirotkin, S. Skripnikova, R. Zagrebnev Science and practice: a new level of integration in the modern world. Sheffield, UK, 2016. -pp. 168-169

11. Yu. Pakhomova, I. Biryukova, S. Vasenina, H. Kombarova, I. Pozdnisheva Science and practice: a new level of integration in the modern world. Sheffield, UK, 2016. - pp. 170-171.