Тепломассообменный аппарат для сушки дисперсных материалов
HEAT AND MASS TRANSFER DEVICE FOR DRYING DISPERSED MATERIALS

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции тепломассообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых для процесса сушки, а также для осуществления эндотермических каталитических реакций, и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтегазовой, металлургической, строительной, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности.
Известны конструкции аппаратов конвективной сушки дисперсных материалов и газофазных каталитических неизотермических реакторов различных конструктивных исполнений (Тимонин А.С., Божко Г.В., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. и др. Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств. Книга 2 / под общей ред. А.С. Тимонина. – М.: Инфра-Инженерия, 2019. – 476 с., Тимонин А.С., Балдин Б.Г., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. Машины и аппараты химических производств / под общей ред. А.С. Тимонина.  – Калуга: Изд. «Ноосфера», 2014. – 856 с.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая эффективность процесса сушки, связанная с неравномерностью времени пребывания гранул высушиваемого материала в тепломассообменных аппаратах, низким тепловым КПД процессов, конструктивной сложностью машин и аппаратов для осуществления процесса сушки дисперсных материалов.
Известна конструкция ступенчато-противоточной сушилки кипящего слоя, содержащей загрузочное устройство влажного материала со шнековым питателем, сушильную камеру, топку со смесительной камерой, турбогазодувку и систему очистки отработанного воздуха, сушилка кипящего слоя выполнена в виде разделенного на секции корпуса цилиндрической формы с конической частью в нижней части и размещенных перпендикулярно оси корпуса опорных решеток, а питатель расположен в крышке корпуса аппарата, причем под решетки поступает псевдоожижающий теплоноситель из топки, имеющей смесительную камеру, при этом для регулирования температуры нагрева в слой материала над опорными решетками в секциях помещают тепломассообменные аппараты типа змеевиков, соединенные с магистралями теплоносителя, переход из одной секции в другую и выгрузка высушенного материала производится через переточные патрубки, а пыль, образующаяся в процессе сушки, улавливается в системе пылеочистки (Патент РФ № 2304266, F26B 17/00 2007).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность времени пребывания в аппарате сушки продуктов массообмена в связи с организацией передвижения дисперсной фазы по секциям массообменного аппарата через переточные патрубки, а также неравномерность нагрева дисперсных частиц и сплошной газовой фазы из-за ограниченной поверхности теплоотдачи змеевиковых теплообменников.
Известна конструкция сушилки кипящего слоя для термолабильных сыпучих материалов, содержащая корпус, разделенный газораспределительными решетками для слоя материала на поярусно расположенные кольцевые камеры с центральной образующей, сообщающиеся посредством пересыпных окон в решетках и имеющие перегородку, причем нижняя и верхняя камеры подключены соответственно к газоподводящему и газоотводящему коробам, в каждой камере установлена вторая перегородка, разделяющая вместе с первой перегородкой надслоевой объем на две секции, причем газоподводящий и газоотводящий короба также разделены вертикальными перегородками на два отсека, соответствующие секциям камер для автономного подвода в последние и отвода из них разнотемпературного газа, согласно изобретению перегородки, разделяющие надслоевой объем на две секции, расположены наклонно под углом, равным углу выхода потока воздуха из кипящего слоя сыпучего материала, а центральная образующая кольцевых камер выполнена в виде конуса (Патент РФ № 2241928, F26B 17/10 2004).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность времени пребывания продуктов массообмена в связи с организацией передвижения дисперсной фазы по секциям сушилки кипящего слоя посредством пересыпных окон в решетках и отсутствие возможности тонкого регулирования температуры нагрева продуктов массообмена.
Известна конструкция сушилки кипящего слоя для термолабильных полидисперсных сыпучих материалов содержащая вертикальный корпус, разделенный газораспределительными беспровальными решетками, поддерживающими слой материала на поярусно расположенные кольцевые камеры с центральной цилиндрической образующей, сообщающиеся между собой посредством пересыпных окон в решетках и имеющие в каждой из них перегородку, причем нижняя и верхняя камеры подключены соответственно к газоподводящему и газоотводящему коробам, в каждой камере установлена вторая перегородка, разделяющая вместе с первой перегородкой надслоевой объем на две секции, причем газоподводящий и газоотводящий короба также разделены вертикальными перегородками на два отсека, соответствующие секциям камер для автономного подвода в последние и отвода из них разнотемпературного газа, при том, что перегородки, разделяющие надслоевой объем на две секции, расположены за пересыпными окнами, снабжены отборником сыпучего материала, а центральная образующая кольцевых камер выполнена в виде усеченного конуса (Патент РФ № 44 804, F26B 17/10 2005).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность времени пребывания продуктов массообмена в связи с организацией передвижения дисперсной фазы по секциям сушилки кипящего слоя посредством пересыпных окон в решетках и отсутствие возможности тонкого регулирования температуры нагрева продуктов массообмена.
Известна конструкция аппарата для сушки сыпучих материалов содержащего вертикальный корпус с узлами загрузки и разгрузки, по оси которого последовательно расположены кольцевые полки, образующие с корпусом кольцевые зазоры, патрубки подачи и вывода сушильного агента. Аппарат снабжен магнитным вибратором и патрубком возврата пыли-уноса, кольцевые полки установлены попеременно с наклоном к центру и к периферии корпуса с возможностью быстрой замены, а кольцевые полки, установленные с наклоном к центру корпуса, выполнены с отверстием в центре, корпус снабжен теплоизолирующим слоем, патрубок для подачи сушильного агента расположен в нижней части корпуса, при этом корпус выполнен с расширением в зонах подачи и отвода сушильного агента (Патент РФ № 2492397, F26B 17/14 2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность времени пребывания продуктов массообмена в связи с организацией передвижения дисперсной фазы по каскаду полок сушилки, наличие застойных зон в секциях массообменного аппарата в связи с конфигурацией полок сушилки и отсутствие возможности тонкого регулирования температуры нагрева продуктов массообмена.
Известна конструкция тепломассообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубков для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при этом корпус дополнительно снабжен рубашкой, полый вал снабжен патрубками для подачи и отвода теплоносителей, а верхняя поверхность шнекового винта выполнена оребренной в тангенциальном направлении (Патент РФ №195502, B01D 53/06, 2020).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие возможности тонкого регулирования температуры нагрева и неравномерность передачи тепла по объему тепломассообменного аппарата, вследствие нагрева продуктов массообмена при помощи периферийной рубашки и внутреннего теплообменника (ядра тепломассообменного аппарата), а также необходимость использования газо- (паро-) или жидкофазных теплоносителей, что существенно осложняет осуществление процесса сушки (особенно в случаях термолабильных продуктов), негативно сказывающихся на качестве процесса сушки и тепловом КПД тепломассообменного аппарата, а также относительно малая эффективность теплообмена, и малый тепловой КПД тепломассообменного аппарата при использовании его в качестве сушилки дисперсных материалов с подвижным кипящим слоем.
Известен способ управления тепловым режимом установки аэродинамического нагрева, при котором осуществляют разогрев рабочего пространства в рабочем канале до заданной температуры и поддержание ее в заданных пределах в течение заданного времени путем подачи электропитания к электродвигателю роторного нагревателя, вращения рабочего колеса роторного нагревателя и подачи разогретого газового теплоносителя в рабочий канал с регулированием его расхода, при том, что регулирование расхода газового теплоносителя осуществляют изменением скорости его перемещения путем изменения частоты питающего электродвигатель напряжения, причем на этапе разогрева частоту питающего электродвигатель напряжения изменяют так, чтобы величина тока электродвигателя оставалась постоянной и равной заданному значению, а на этапе поддержания температуры в заданных пределах изменение частоты питающего электродвигатель напряжения ведут в фиксированном диапазоне, а требование постоянства тока электродвигателя снимают (Патент РФ №2 267 724, F26B 21/10, F26B 21/12, F26B 9/06, 2002).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие возможности тонкого регулирования температуры нагрева рабочего пространства канала, в следствие тепловых потерь и неравномерности распределения температурных полей по длине каналов.
Известны системы автоматизированного управления тепловыми режимами сушильных установок (Илюхин А.В. Основные принципы и методы автоматизации тепловых процессов на предприятиях дорожно-строительного комплекса: монография / А.В. Илюхин, В.И. Марсов, Е.В. Марсова. – М.: МАДИ, 2018. – 112 с.). Представлены разработанные автоматизированные системы, обеспечивающие рациональное использование энергетических ресурсов, снижение энергоемкости продукции промышленности строительных материалов и изделий. Решается также задача уменьшения тепловых выбросов в атмосферу и нерационального расходования невосполнимых энергетических ресурсов.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность в полной мере реализовать преимущества разработанных автоматизированных систем управления тепловыми режимами процесса сушки и систем оптимизации управления тепловыми режимами процесса сушки вследствие несовершенства аппаратурного оформления процесса сушки, а именно самих конструкций тепломассообменных аппаратов, на которые разработанные авторами системы управления ориентированы. Представленные авторами монографии конструкции тепломассообменных аппаратов сушки дисперсных материалов не могут обеспечить равномерное распределение температурных полей, а соответственно и плавное самоадаптивное регулирование тепловыми режимами процесса.
Известны системы автоматизированного управления процессами сушки и конструкции тепломассообменных аппаратов сушки пищевого растительного сырья, представленные в докторской диссертации Шевцова Сергея Александровича «Научное обеспечение энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе». Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Воронеж – 2015, 478 c.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность в полной мере реализовать преимущества разработанных автоматизированных систем управления тепловыми режимами процесса сушки и систем оптимизации управления тепловыми режимами процесса сушки вследствие несовершенства аппаратурного оформления процесса сушки, а именно самих конструкций тепломассообменных машин и аппаратов, на которые разработанные авторами системы управления ориентированы.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятым за прототип является конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, патрубков для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, закрепленного на валу, при этом корпус в нижней части содержит газораспределительную камеру и перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, а шнековый винт выполнен однозаходным, при этом радиальные перегородки расположены на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта (Патент №141487, РФ B01D53/06, B01D11/02, 2014).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие возможности тонкого регулирования температуры нагрева сплошной и дисперсной фазы (продуктов массообмена) и низкий тепловой КПД при использовании массообменного аппарата в качестве сушилки дисперсных материалов.
Задача – разработка конструкции тепломассообменного аппарата для сушки дисперсных материалов и газофазных каталитических эндотермических реакций обладающего широким спектром возможностей регулирования технологических параметров и возможностью тонкого управления тепловыми режимами в ходе тепломассообменных процессов.
Техническим результатом предлагаемого тепломассообменного аппарата для сушки дисперсных материалов является повышение производительности при осуществлении массообменных процессов в условиях тонкого регулирования тепловых режимов аппаратов сушки дисперсных материалов и газофазных каталитических эндотермических реакций, что сопровождается повышением КПД процесса сушки.
Технический результат достигается тем, что тепломассообменный аппарат для сушки дисперсных материалов, состоящий из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, причем винтовая поверхность однозаходного шнекового винта, выполняющего функцию электропроводного нагревательного элемента, выполнена сетчатой, при этом по внешнему и внутреннему торцам однозаходного шнекового винта установлены медные шины, снабженные диэлектрическими прокладками, изолирующими однозаходный шнековый винт от корпуса аппарата и полого вала, а корпус тепломассообменного аппарата покрыт слоем теплоизоляции, при этом аппарат дополнительно снабжен системой управления тепловыми режимами, включающей в себя источник питания с магнитным контактором, управляющее устройство, задающее устройство, датчики температуры нагрева витков шнекового винта, дисперсного материала, сушильного агента на входе и выходе из аппарата.
Снабжение тепломассообменного аппарата системой управления тепловыми режимами, включающей в себя источник питания с магнитным контактором, управляющее устройство, которое может представлять собой, например, аналоговую схему или программируемый логический контроллер, задающее устройство, а также датчики температуры нагрева витков шнекового винта, дисперсного материала, сушильного агента на входе и выходе из аппарата, осуществляющие обратную связь аппарата с управляющим устройством, позволяет обеспечить самоадаптивное автоматическое регулирование тепловыми режимами с контролем начальной и конечной температуры и влажности сушильного агента и дисперсного материала. Данная схема системы управления тепловыми режимами позволяет осуществлять тонкое регулирование тепловых режимов аппарата сушки дисперсных материалов и эндотермических газофазных каталитических реакций, повышая тем самым производительность тепломассообменного аппарата и его КПД.
Выполнение винтовой поверхности однозаходного шнекового винта, выполняющего функцию электропроводного нагревательного элемента, сетчатой, причем по внешнему и внутреннему торцам однозаходного шнекового винта установлены медные шины, снабженные диэлектрическими прокладками, изолирующими однозаходный шнековый винт от корпуса аппарата и полого вала, создает необходимые условия изоляции и обеспечивает принципиальную работоспособность системы управления тепловыми режимами тепломассообменного аппарата для сушки дисперсных материалов, обеспечивая тем самым устойчивое непрерывное действие заявляемого аппарата, равномерное время пребывания дисперсной фазы в нем, равномерные плавно регулируемые устойчивые тепловые режимы работы и сравнительно высокий тепловой КПД. Такое конструктивное исполнение способно найти свое промышленное применение вне зависимости от рабочих температур процесса сушки дисперсных материалов и особенно актуально в случаях крупногабаритных аппаратов (с точки зрения технологии изготовления корпуса).
Покрытие корпуса тепломассообменного аппарата слоем теплоизоляции обеспечивает сохранность тепла и устойчивость тепловых режимов массообменного аппарата для сушки дисперсных материалов (и газофазных эндотермических каталитических реакций), что повышает энергоэффективность тепломассообменного аппарата и тепловой КПД процесса сушки, увеличивая производительность аппарата.
На рис. 1 показан общий вид тепломассообменного аппарата для сушки дисперсных материалов в разрезе.
На рис. 2 показан дополнительный вид шнекового винта тепломассообменного аппарата для сушки дисперсных материалов в разрезе.
На рис. 3 показана система управления тепловыми режимами тепломассообменного аппарата для сушки дисперсных материалов.
На рис. 4 показана схема системы управления тепловыми режимами тепломассообменного аппарата для сушки зернистых материалов.
Тепломассообменный аппарат для сушки дисперсных материалов состоит из вертикального корпуса 1, покрытого слоем теплоизоляции (на чертежах не показан), с газораспределительной камерой 2, патрубками для подвода исходных веществ 3 и отвода продуктов массообмена 4 и патрубками входа 5 и выхода 6 газовой фазы. Корпус 1 снабжен полым валом 7, на котором закреплен однозаходный шнековый винт 8 с сетчатой винтовой поверхностью и радиальными перегородками 9, расположенными на нижней поверхности шнекового винта 8 с зазором 10 относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта 8. Медные шины 11, снабженные диэлектрическими прокладками 12, изолирующими однозаходный шнековый винт 8 от корпуса 1 аппарата и полого вала 7, установленные по внутреннему и внешнему торцам электропроводного однозаходного сетчатого шнекового винта 8, выполняющего функцию электропроводного нагревательного элемента, подсоединены к противоположно заряженным полюсам источника питания 13, от которого запитана также система управления тепловыми режимами. Источник питания 13 снабжен магнитным контактором 14. Помимо источника питания 13 в состав системы управления тепловыми режимами входят управляющее устройство 15, которое может представлять собой, например, аналоговую схему или программируемый логический контроллер, задающее устройство 16, а также датчики температуры 17 нагрева витков шнекового винта 8, дисперсного материала, сушильного агента на входе и выходе из аппарата, осуществляющие обратную связь аппарата с управляющим устройством 15.
Тепломассообменный аппарат для сушки дисперсных материалов работает следующим образом.
По патрубку 3 подаваемая дисперсная фаза (например, гранулы дисперсного высушиваемого материала, катализатор) поступает в верхнюю часть корпуса 1, затем медленно движется сверху вниз под совокупным действием силы тяжести и газового потока по сетчатой поверхности витков шнекового винта 8 через зазоры 10 и выходит из корпуса 1 через патрубок 4. По патрубку 5 в газораспределеную камеру 2 подают восходящий поток газа (сушильного агента, газофазных продуктов реакций), который равномерно распределяется по сечению массообменного аппарата. Поток газа (сушильного агента, смеси газов, продуктов реакций), проходя через отверстия в витках сетчатого шнекового винта 8, образует с подаваемой дисперсной фазой движущийся кипящий псевдоожиженный слой, в котором происходит тепломассообмен между подаваемой дисперсной фазой и восходящим потоком сплошной газовой фазы. Поток сплошной газовой фазы выходит из корпуса 1 через патрубок 6. Так как между витками сетчатого шнекового винта 8 установлены радиальные перегородки 9, ограничивающие слой жидкости или твердой дисперсной фазы, то движение сплошной газовой фазы по винтовому каналу в корпусе 1 в зазоре 10 между подаваемой фазой и нижней поверхностью витков сетчатого шнекового винта 8 затруднено, что заставляет ее двигаться вертикально через сетчатые витки шнекового винта 8.
Для осуществления качественного управления тепловыми режимами (осуществления тонкого регулирования тепловых режимов аппарата сушки дисперсных материалов и эндотермических газофазных каталитических реакций) аппарат снабжен системой управления.
пит
Система управления тепловыми режимами аппарата представлена на рис. 3. и рис. 4. Через сетчатый шнековый винт 8, выполняющего функцию электропроводного нагревательного элемента, проходит электрический ток, нагревая рабочую поверхность шнекового винта 8 и осуществляя равномерный плавный нагрев дисперсного материала (продукта массообменного процесса), движущегося по поверхности шнекового винта 8 и сплошной газовой фазы сушильного агента (газофазных продуктов реакций). Для обеспечения равномерности нагрева сетчатого шнековый винта 8 по его внешнему и внутреннему торцам установлены снабженные диэлектрическими прокладками 12 токопроводящие медные шины 11, служащие для равномерной подачи от источника питания 13 напряжения питания U вдоль всей длины поверхности шнекового винта 8. Включение питания шнекового винта 8 осуществляется магнитным контактором 14 по сигналу управляющего устройства 15, которым может быть аналоговая схема или программируемый логический контроллер. Задание необходимой температуры дисперсного материала осуществляется с помощью задающего устройства 16. Датчики температуры 17 служат для организации обратной связи управляющего устройства 15, измеряя температуру витков шнека 8, потока сплошной газовой фазы и выходящего с сетчатой винтовой поверхности шнека 8 высушенного дисперсного материала и воздушного потока, т.е. сушильного агента. Также системой управления предусмотрен контроль конечной температуры и влажности высушиваемого дисперсного материала при текущем самоадаптивном автоматическом регулировании тепловыми режимами с контролем начальной температуры и влажности сушильного агента.
Медные шины 11, установленные по торцам электропроводного однозаходного сетчатого шнекового винта 8 (электропроводного нагревательного элемента), подсоединены к противоположно заряженным полюсам источника питания 13. Через сетчатый шнековый винт 8 проходит электрический ток, нагревая его рабочую поверхность и осуществляя равномерный плавный нагрев частиц дисперсного материала (продукта массообменного процесса) и сплошной газовой фазы сушильного агента.
Данная конструкция, по сравнению с прототипом, обеспечивает плавный тонко регулируемый нагрев продуктов массообмена (дисперсной фазы и сплошной фазы сушильного агента). Тепло, без угрозы местного перегрева дисперсной фазы, передается гранулам высушиваемого материала за счет теплоотдачи (контакта с теплообменной поверхностью) и конвекции (поток сушильного агента проникает сквозь витки сетчатого шнекового винта, нагревается и конвективным переносом доставляет тепло к дисперсным гранулам сорбента, способствуя активизации движущей силы процесса (разности парциальных давлений)).
Данная конструкция тепломассообменного аппарата для сушки дисперсных материалов с движущимся кипящим слоем высушиваемого материала обеспечивает устойчивое непрерывное действие, равномерное время пребывания дисперсной фазы, равномерные плавно регулируемые устойчивые тепловые режимы работы, повышая производительность аппараты и тепловой КПД.