Учебное пособие 800321

УДК 621.1.016

Портнов В.В. Сушильные установки: учеб. пособие / В.В. Портнов. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 110 с.

В учебном пособии рассмотрены основные свойства высушиваемых материалов, дано описание процессов сушки, методы расчетов, рассмотрены конструкции сушильных установок.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» и требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавров 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» профилю «Промышленная теплоэнергетика», дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2007 и содержится в файле Сушка.pdf.

Ил. 26. Библиогр.: 8. назв.

Рецензенты: кафедра промышленной энергетики Воронежского государственного университета инженерных технологий (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.В. Шитов); д-р техн. наук, проф. Н.В.Мозговой

Портнов В.В., 2012

Оформление. ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет», 2012

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»

В.В. Портнов

СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2012

ВВЕДЕНИЕ

Высокие темпы энергопотребления в последнее время привели к необходимости создания высокоэффективных устройств для выработки, передачи и преобразования различных видов энергии. Значительной частью этих устройств являются промышленные тепло- и массообменные установки.

Вих развитие огромный вклад вносили и продолжают вносить отечественные ученые. Основы промышленных установок были заложены еще в 19 веке трудами Д.И.Менделеева, В.В. Морковникова, Н.В. Булыгина.

В20 столетии эти традиции были продолжены достижениями советских и российских ученых: И.А. Тищенко, А.В. Лыкова, С.С. Кутателадзе, А.Н. Плановского, В.В. Кафарова, И.И. Гельперина и многих других.

Данное учебное пособие продолжает начатую серию учебных пособий по курсу ТМООП и представляет еще одну категорию тепломассобменных устройств: сушильные установки. Рассматриваются основные свойства влажных материалов, кинетика и динамика сушки, методы расчетов сушильных установок и аппаратное оформление процесса сушки.

Материал учебного пособия соответствует программе подготовки дипломированных специалистов по направлению 650800 «Теплоэнергетика». Пособие ориентировано главным образом на изучение студентами дисциплины «Тепломассообменное оборудование предприятий» по направлению 140100 «Теплоэнергетика», специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» и направлению 140100.62 «Теплоэнергетика

итеплотехника» профиль «Промышленная теплоэнергетика».

3

1. КИНЕТИКА И ДИНАМИКА СУШКИ

1.1. Общие сведения об обезвоживании материалов

Удаление влаги с поверхности, а также из внутренних слоев различных веществ и материалов (обезвоживание) можно отнести к числу наиболее распространенных процессов в технологиях промышленности и сельского хозяйства. При обезвоживании в материале могут происходить структурномеханические, реологические, химические, биохимические и другие изменения, способствующие изменению внешних и внутренних свойств материалов, например, повышению прочности строительных материалов (кирпича и древесины); увеличению теплоты сгорания топлив (уголь, торф); уменьшению массы и объема транспортируемых материалов; удлинению срока хранения продуктов и т. д.

В настоящее время обезвоживание производят следующими методами:

-физико-химическим;

-механическим;

-тепловым.

Физико-химический метод основан на поглощении влаги из высушиваемого материала путем их соприкосновения с гигроскопическими веществами (хлористым кальцием, силикагелем, алюмогелем и т.п.). Область применения метода - мелкомасштабные производства и лаборатории. В рамках данного учебного пособия этот метод не рассматривается.

Механическим обезвоживанием называют процесс разделения систем «жидкость - твердое тело» под действием механических сил (давления, гравитационных, центробежных). Механическое обезвоживание - процесс, широко распространённый в химической, топливной, фармацевтической и других отраслях промышленности. Механическое обезвоживание применяют на начальных стадиях получения конечного про-

4

дукта. Например, в текстильной промышленности, в технологический процесс включаются специальные аппараты — прессы, центрифуги, вакуум-фильтры. Механическое обезвоживание материалов более экономично, чем тепловая сушка, однако оно применимо только для материалов, допускающих деформацию (торфяная масса, текстиль, шерсть и т. п.). При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случаев является недостаточным, так как оно обеспечивает только частичное удаление свободной влаги (до 40-60%).

Тепловым методом или сушкой называют удаление влаги путем подвода теплоты к высушиваемому материалу.

Последние два метода наиболее распространены в промышленной технологии и сельском хозяйстве.

Тепловая сушка представляет собой сложный теплотехнологическнй процесс, приводящий не только к обезвоживанию, но и, как было сказано выше, к существенному изменению свойств и характеристик высушиваемого материала. В соответствии с задачами изучаемого курса будем в дальнейшем рассматривать только тепловой метод обезвоживания материалов — сушку. Под сушкой будем также понимать совокупность тепловых и массообменных процессов, происходящих внутри влажного материала (внутренняя задача сушки) и за пределами его поверхности (внешняя задача сушки) и обеспечивающих его обезвоживание.

1.2 Естественная и искусственная сушка

Для нормального протекания процесса сушки необходимо обеспечить два процесса: непрерывный подвод тепла к высушиваемому материалу и отвод паров влаги от его поверхности. В качестве среды для поглощения и отвода паров используются различные сушильные агенты или агенты сушки

5

(воздух, топочные газы, перегретый водяной пар, различные газы). Подвод же тепла может осуществляться:

-непосредственным соприкосновением высушиваемого материала с нагретой поверхностью – контактный метод;

-излучением – терморадиационный метод;

-с использованием предварительно нагретого сушильного агента – конвективный метод;

-созданием источников тепла внутри высушиваемого материала (например, с использованием высокочастотного электромагнитного поля).

Сушку материалов можно производить естественным и искусственным способами. Естественная сушка обычно производится на открытом воздухе, под навесами или в специальных сараях и представляет собой процесс, при котором сушильный агент (воздух), поглотивший пары влаги, отводится из зоны сушимого материала без искусственных мероприятий. Она производится за счет тепла наружного воздуха и применяется при массовой обработке дешевых влажных материалов, например глины, песка, торфа, дров, пиломатериалов, сена и т. п.

Преимуществами естественной сушки является простота и дешевизна как устройств для сушки, так и самого процесса.

Недостатками естественной сушки по сравнению с искусственной (в сушильных установках) являются:

-большая продолжительность:

-зависимость ее от времени года и состояния наружного воздуха;

-необходимость большой территории для размещения материала (например, на лесозаводах биржи для сушки леса занимают по нескольку квадратных километров; еще большие площади занимаются штабелями торфа на торфоразработках и полями разлива при гидравлическом способе добычи его);

6

- при естественной сушке материал можно высушить только до влажности, близкой к равновесной, соответствующей параметрам окружающего воздуха и в ряде случаев недостаточной для последующей технологической обработки материалов.

Искусственная сушка материалов производится в специальных устройствах - сушилках, в которых тепло различными способами подводится к высушиваемому материалу, а сушильный агент, поглотивший пары влаги, отводится искусственным способом: при помощи вентиляторов, инжекторов, вытяжных труб и других устройств.

1.3. Сушильный агент

Искусственная сушка является весьма энергоемким процессом. Рациональный выбор источника тепла для работы сушильной установки значительно сказывается на экономичности сушильных установок.

Сушильный агент часто одновременно служит не только теплоносителем, но и влагопоглотителем, поскольку уносит из сушильной установки, образовавшиеся в процессе сушки пары влаги. В качестве сушильного агента используют воздух, топочные и другие инертные по отношению к высушиваемому материалу газы (азот, гелий, диоксид углерода и др.), перегретый водяной пар или пар удаляемого из материала растворителя.

При выборе сушильного агента следует учитывать, прежде всего технологические особенности сушки. Например, пищевые продукты не рекомендуется сушить топочными газами. Использовать инертный сушильный агент следует если пары удаляемой из материала жидкости взрывоили пожароопасны и т. д. В случае возможности использования не-

7

скольких сушильных агентов следует руководствоваться тех- нико-экономическими соображениями.

1.4.Свойства влажных материалов

Вкачестве удерживаемых твердыми материалами жидкостей могут быть вода, метанол, бензин, метаноло-ацетоновая смесь, бензино-изопропиловая смесь и др. В рамках данного учебного пособия рассматриваются закономерности удаления жидкости, способы расчета и конструкции сушильных установок на примере наиболее распространенной в веществах и материалах жидкости - воды.

Изделия или материалы приходится сушить в зависимости от их назначений для разных целей. Твердое топливо, например, подсушивают для повышения теплоты сгорания, улучшения процесса горения, древесину - для увеличения прочности, предохранения от гниения и плесени, различные другие изделия - для облегчения обработки, увеличения долговечности, предотвращения сжатия, искривления и растрескивания. Ряд материалов подвергается сушке для уменьшения их веса и тем самым удешевления транспортировки, изменения физических свойств (например, уменьшения теплопроводности). Перечень материалов, подвергающихся в процессе их обработки также и сушке, чрезвычайно велик. Глубина обезвоживания материала в каждом отдельном случае определяется многими причинами.

Удаление влаги из материала при его сушке можно представить как сочетание двух последовательных процессов:

1)диффузии влаги изнутри частицы материала на ее поверхность и 2) диффузии влаги с поверхности частицы в поток сушильного агента (воздуха, других газов). На характер и скорость протекания этих процессов, помимо метода и режима сушки, оказывают большое влияние механические и физико-

8