3. Описание процессов протекающих в распылительной сушилки

Сущность процесса сушки материалов в распылен­ном состоянии заключается в том, что диспергированная в виде капель жидкая или жидкообразная масса при своем распространении в некотором замкнутом объеме обезвоживается за счет разности парциальных давлений паров жидкости на поверхности капель и в окружающей среде. В зависимости от технологических требований к материалу в распылительной сушилке можно получать либо порошок, либо пластичную массу.

Перед другими способами сушки жидких и жидкообразных материалов сушка распылением имеет следующие преимущества: создание значительной поверхности взаимодействия дисперсионной фазы с дисперсионной средой; кратковременность процесса; получение гранулированного порошкообразного материала; механизация и автоматизация процесса сушки. Кроме того, сушка рас­пылением позволяет: получать особо чистые материалы (нет контакта между влажными частицами и огражде­ниями аппарата); создавать высокопроизводительные агрегаты; использовать высокотемпературный теплоноси­тель; организовывать процесс сушки в вакууме или в среде инертных газов; совмещать в одном агрегате процесс сушки с последующими технологическими про­цессами (дегидратацией, обжигом, плавлением и т. п.); надежно герметизировать аппарат.

В качестве недостатков процесса сушки распылением обычно отмечают сравнительно низкую напряжен­ность сушильного объема по испаренной влаге (5— 15 кг/м3-ч); необходимость использования специальных устройств для выделения высушенного продукта из по­тока отработанных газов; низкий объемный вес полу­чаемого продукта; сравнительно высокие расходы тепла и электроэнергии. Такие недостатки распылительной сушки, как низкая напряженность сушильного объема по испаренной влаге и сравнительно высокие расходы тепла и электроэнергии, органически ей не присущи. Их можно устранить путем оптимизации процесса распыли­тельной сушки, а для этого необходимо знать закономер­ность ее протекания.

Процесс распылительной сушки принято подразде­лять на три этапа: распыление массы; тепло- и массообмен между каплями (частицами) массы и окружаю­щей средой; выделение высушенного продукта из потока газов. Такое деление процесса несколько условно, так как нельзя наметить четкой границы между этими эта­пами вследствие наложения их друг на друга.

В наиболее общем случае под распылением подразумевают процесс дробления струи жидкости на боль­шое число капель и распределение этих капель в пространстве. Дробле­ние струи жидкости на капли — про­цесс весьма сложный, обусловленный рядом внешних и внутренних причин. В качестве основной внешней причи­ны считают воздействие на поверх­ность струи аэродинамической силы, стремящейся деформировать и разо­рвать струю. Внутренними причинами являются различного рода начальные возмущения, связанные с конструкци­ей распылителя, качеством его изго­товления, турбулентностью движения жидкости в распылителе и т. д. В ре­жиме распыления жидкая струя дро­бится на большое количество раз­личных по диаметру капель. Для ха­рактеристики такой полидисперсной системы капель используют диффе­ренциальные и интегральные кривые распределения. Анализ различных процессов в полидисперсной системе значительно упрощается при замене такой системы эквивалентной монодисперсной. В расчетах процессов тепло- и массообмена используют объемно-поверхностный диаметр. В этом случае в эквивалентной системе сохраняется постоянным отношение объема капель к их поверхности.

По мере движения вследствие подсоса окружающей среды объем­ная концентрация жидкости в распы­ленной струе сильно уменьшается. На достаточном удалении от устья струи отношение количества подсо­санного извне воздуха к объему жидкости может быть больше 1000. При этом скорости частиц распылен­ной жидкости и скорости воздуха, перемешанного с каплями, будут примерно равны друг другу. За счет молекулярной и турбулентной диф­фузии наблюдается также вынос частиц жидкости из струи в окружаю­щую среду. Для определения разме­ров распылительных сушилок необ­ходимо знать габариты факела рас­пыленной струи. Длина факела и его предельный радиус в настоящее вре­мя не могут быть рассчитаны теоре­тически. Для их определения исполь­зуют экспериментальные методы.

В распылительных сушилках дробление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии жидко­сти (механическое распыление) или кинетической энергии газа (пневма­тическое распыление). К механичес­ким распылителям относят струйные и центробежные форсунки, вращаю­щиеся барабаны или диски и ультра­звуковые распылители, к пневматиче­ским — различного рода газовые и паровые форсунки.

При выборе способа распыления и конструкции распылителя руководствуются прежде всего технологичес­кими требованиями к качеству высу­шенного порошка: дисперсностью, формой гранул, плотностью и т. п. Кроме того, распылнвающее устрой­ство должно обеспечить необходимую производительность, минимально возможные габариты факела и равно­мерность распределения капель по се­чению сушилки. При этом оно долж­но быть простым в устройстве, на­дежным в эксплуатации, расходовать минимальное количество энергии и допускать изменение производитель­ности без существенного изменения качества распыления.

Согласно современным представ­лениям, сушка влажных материалов является комплексным процессом, со­стоящим из переноса тепла и влаги внутри материала (внутренний тепло-и массоперенос) и обмена энергией (теплотой) и массой (влагой) по­верхности влажного тела с окружаю­щей средой (внешний тепло- и массообмен).

Использование известных уравнений теории тепло- и массооб­мена для расчета процесса в распы­лительной сушилке затруднено вслед­ствие сложного характера движения распыленной струи, ее полидисперс­ности, изменения скорости и размера капель и т.п. Поэтому в настоящее время тепло- и массообмен в распы­лительных сушилках рекомендуют рассчитывать по значению объемных коэффициентов тепло- и массообмена. Причем предпочтение отдается рас­чету теплообмена, так как экспери­ментальное определение перепада температур может быть выполнено более просто и с большей точностью. Тепловой поток, передаваемый от теплоносителя к частицам q, Вт, мо­жет быть определен по формуле

(31)

где ау — объемный коэффициент теплообмена, Вт/(м3 °С); VK —объем сушильной камеры, м3; ∆tср— средняя разность (пе­репад) температур между теплоносителе., и частицами, °С.

В качестве средней разности темпера­тур принимают среднюю логарифми­ческую, где ∆t1 =ti—tм1 —разница между темпера­турой теплоносителя и материала в начале процесса; ∆t2 =t2—tм2 —то же, в конце процесса.

М. В. Лыков рекомендует следу­ющую схему выбора размеров камер сушилок. При распылении суспензии форсунками и заданном режиме суш­ки (t1 и t2) на основании материаль­ного и теплового балансов определя­ют расход теплоносителя Vг. Прини­мая скорость газа в сечении сушилки νг=0,2—0,5 м/с, определяют сечение

сушилки Sк= Vг / νг и диаметр камеры DK. Определив по соответствую­щей формуле объемный коэффициент теплообмена а г, определяют объем камеры Vк:. Далее находят рабочую высоту камеры hK. При параллельном токе за рабочую высоту принимают расстояние от среза форсунки до ме­ста вывода теплоносителя. Для фор­суночных сушилок нормальным счи­тается соотношение hк/DK=1,5—2,7.