Вопрос № 9. Оборудование для сушки полимеров. Оборудование для сушки полимеров

В производстве полимерных материалов сушка является обязательной стадией, требующей больших энергетических затрат. От аппаратурно-технологического оформления сушки зависит в большой степени качество полимера. В процессе сушки можно удалить из полимера оставшийся мономер, и другие соединения, выделять полимеры из растворов и т.д.

Выбор метода сушки и тип сушилки обусловлен свойствами полимеров, наиболее важными из которых являются следующие: термостойкость, склонность к окислению и деструкции при повышенных температурах, неоднородность полимера по начальному содержанию растворителя или воды и гранулометрическому составу, содержание легкокипящих, легковоспламеняющихся и токсичных растворителей. Большинство полимеров требуется высушивать до содержания в них растворителей или воды от 0,03…0,20 % масс.

Для сушки дисперсных полимеров, в которых сопротивление массопереноса определяется внешним отводом и диффузионными факторами, используют конвективные сушилки различных конструкций.

Простейшим типом конвективных сушилок является пневматические трубы-сушилки, в которых газ-теплоноситель и материал движутся в вертикальной трубе прямотоком в режиме пневмотранспорта, близком к режиму идеального вытеснения.

В промышленности пластмасс трубы-сушилки используют для, удаления поверхностной влаги из дисперсных полимеров, т.е. в качестве первой ступени сушильного агрегата, поскольку продолжительность пребывания материала в них невелика.

Пастообразные материалы, иониты и другие целесообразно подсушивать при скорости сушильного агрегата, близкой к скорости пневматического транспортирования. Трубы-сушилки применяют в сочетании с сушилками с движущимся или псевдоожиженным слоем и другими. Пневматические трубы-сушилки используют, в частности, для подсушивания суспензионного поливинилхлорида, поликарбоната и других.

Сушилка (рис.2.9.21) представляет собой цилиндр, внутрь которого подается насыщенный водяной пар, с навитой по внешней образующей спиралью. Цилиндр со спиралью заключен в паровую рубашку. Для предотвращения налипания материала, на стенки цилиндра и спираль цилиндр в некоторых конструкциях вращается вокруг, собственной оси. Газовзвесь движется снизу вверх по спиральной траектории в пространстве между внешней стенкой цилиндра и рубашкой. Выходящая из сушилки газовзвесь разделяется в циклоне. Производительность, сушилок 3000…6000 кг/ч при конечной влажности 0,5…1,0 % масс.

Рис.2.9.21. Пневматическая труба-сушилка с винтовой вставкой: 1 – сушилка; 2 – бункер и питающий шнек; 3 – циклон; 4 – конденсатор; 5 – сепаратор; 6 – теплообменник; 7 – вентилятор; А – влажный материал; Б – сухой продукт; В – хладагент; Г – конденсат; Д – пар; Е – азот

Для сушки сыпучих материалов применяют циклонные сушилки. 0ни имеют опущенную до дна выхлопную трубу. Газовзвесь поступает тангенциально в верхнюю цилиндрическую часть сушилки, закручивается и движется по спирали ко дну. Достигнув дна, поток удаляется через выхлопную трубу. Эффективность сушки дисперсных материалов со слабосвязанной влагой в циклонных сушилках значительно выше, чем в трубках-сушилках.

Для сушки пастообразных полимеров применяют ленточные сушилки (рис.2.9.22). Основной частью ленточной сушилки является бесконечная горизонтальная лента 1. Материал поступает с одного конца ленты и сбрасывается в высушенном виде с другого ее конца. Ленты делают сплошными или ситчатыми. Сушилка обычно делится на несколько зон, в каждой из которых установлен вентилятор 2 для создания циркуляции воздуха и калорифер для его нагрева.

Рис.2.9.22. Ленточная сушилка

Для мелкозернистых и гранулированных полимеров применяют сушилки с псевдоожиженным слоем. Такие сушилки применяют не только для удаления поверхностной и слабосвязанной влаги, но и для глубокой сушки вышеназванных полимеров до остаточной влажности 0,03 % масс.

Для сушки трудноожижаемых материалов (дисперсных с высокой влажностью, комкующихся) применяют сушилки с использованием псевдоожижения, при котором на слой материала воздействуют поток газа и низкочастотные колебания. Такой процесс называют виброаэропсевдоожижением. Наибольшее распространение получили лотковые сушилки, наклоненные под небольшим углом к горизонту. На рис.2.9.23 показана схема вибросушилки.

Рис.2.9.23. Вибросушилка:

1 – смотровые окна; 2 – желоб; 3 – вибратор с электродвигателем; 4 – выгружные люки; 5 – газораспределительная решетка; 6 – рама; 7 – пружины; 8 – амортизаторы; 9 – сливная перегородка; А – влажный материал; Б, Г – теплоноситель; В – сухой материал

Корпус установки, состоящий из прямоугольного желоба 2 с газораспределительной решеткой 5 с помощью амортизаторов 8 и пружины 7 установлен на несущей раме 6, которая опирается на фундамент.

Теплоноситель подается под газораспределительную решетку и, пройдя через слой, поступает в вытяжной воздухопровод. Привод сушилки состоит из маятникового двигателя-вибратора 3 направленного действия с регулируемым дебалансом и частотой колебания. Скорость движения материала от загрузочного штуцера к сливной перегородке 9 может регулироваться за счет изменения угла наклона газораспределительной решетки, амплитуды и частоты колебаний. Высота слоя материала регулируется изменением высоты, сливной перегородки.

Традиционным методом сушки растворов, суспензий и пастообразных полимеров является сушка распылением. Распылительная сушилка представляет собой цилиндрический или коническо-цилиндрический аппарат, в котором происходит диспергирование материала при помощи специальных диспергаторов в потоке теплоносителя (рис.2.9.24).

Рис.2.9.24. Распылительная сушилка: 1 – корпус; 2 – распылитель (форсунки); 3 – гребковый механизм; 4 – дверца

При непосредственном контакте теплоносителя с распыленным материалом почти мгновенно протекают тепло- и массообменные процессы. Продолжительность пребывания материала в сушилке до 50 с. Достоинства сушилки – возможность использования теплоносителей с высокой температурой даже для сушки нетермостойких полимеров. К недостаткам следует отнести сравнительно небольшой удельный объем (до 10 кг/(м³ ч)), большой расход теплоносителя и, следовательно, значительная материало- и энергоемкость.

Для распыления используют различные методы: механический, пневматический и с помощью центробежных дисков.

При механическом методе применяют форсунки, в которые жидкость подается под давлением 2,5…20 МПа. Качество распыления зависит от степени турбулентности струи, выходящей и форсунки. Для создания турбулентности в Форсунке имеется насадка с тангенциальными канавками для закручивания потока. Механические форсунки делятся на струйные и центробежные. Их применяют в основном для распыления растворов.

В пневматических форсунках распыление происходит скоростной струей газа или пара, который подается под давлением 0,4…0,6 МПа. При интенсивном удалении низкокипящего растворителя струя раствора может вытягиваться в нити, которые, распадаясь, образуют полимер с низкой насыпной плотностью.

Широкое распространение получило распыление центробежными дисками, вращающимися со скоростью до 4000 об/мин в потоке теплоносителя. Выброс жидкости из диска происходит через каналы, образованные лопатками, либо через форсунки сопла. С увеличением числа каналов возрастает производительность сушилок. Диски различаются диаметром и шириной канала. При использовании сопловых дисков влажный материал может налипать на стенки сушилки.

Выбор рационального метода сушки и типа сушилки должен обеспечить достижение оптимальных технико-экономических показателей работы сушилки, получение продукта заданного качества, надежность работы, снижение или исключение газовых выбросов в атмосферу.

Выбор метода сушки и типа сушилки для конкретного материала производится на основании анализа материала как объекта сушки. Для этого исследуют структуру высушиваемого материала, его тепловые и сорбционные характеристики, на основании которых определяют формы связи влаги (растворителя) с материалом, а также адгезионные и когезионные свойства материала.

Выбранная сушилка должна быть типовой, из числа выпускаемых промышленностью.

Для расчета сушилок сначала составляют материальный баланс процесса из которого определяют количество влаги, испаряемой в процессе сушки:

где GЧ – часовая производительность сушилки, равная , w₁ и w₂ – начальная и конечная влажность материала, G – годовая производительность сушилки, а – число часов работы в сутки, б – число дней работы сушилки в году.

Производительность по сухому материалу равна: G_C = G_Ч – w,

где w – количество испаряемых летучих.

Расход сушильного агента определяется по формуле:

где d₁ и d₂ – начальное и конечное содержание влаги или удаляемого из материала растворителя, определяемое по формулам:

;

Второй стадией расчета является определение расхода тепла. Это делают либо аналитически из уравнения теплового баланса, либо графоаналитическим методом – с использованием I-w-диаграммы (теплосодержание воздуха – влагосодержание воздуха).

Для определения габаритов сушильной установки рассчитывают, если это возможно, поверхность испарения материала.

Для сушки тонкодисперсных материалов во внешнедиффузионной области поверхность тепло- и массобмена можно определить из уравнений тепло- и массопереноса. Для стационарного режима сушки получим:

,

где Q – расход тепла на нагрев материала и испарение летучих, w – количество испаряемых летучих, α и β – коэффициент тепло- и массоотдачи, ∆tср и ∆Pср – средние движущие силы.