Библиографический список

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков П.Г. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». – Л.: Химия, 1987.

2. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое. – М.: Госэнергоиздат, 1963.

Романков П.Г., Носков А.А. Сборник расчётных диаграмм по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1977.

Работа № 15

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Сушка – процесс удаления влаги из твёрдых влажных материалов испарением и отвод образующихся паров – один из наиболее распространенных способов удаления влаги из твёрдых материалов в химической технологии. Разнообразие свойств твёрдых материалов, подвергающихся сушке, вызывает необходимость создания различных конструкций сушильных аппаратов. На многих производствах для интенсификации ряда технологических процессов, связанных с взаимодействием твёрдой дисперсной фазы с газовой (жидкой) фазой, используют установки псевдоожиженного (взвешенного, кипящего) слоя. К таким процессам относится процесс сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое.*

В установках с кипящим слоем достигается наиболее интенсивная сушка сыпучих, пастообразных и жидких материалов. О бъёмный коэффициент, отнесённый к слою материала, достигает 5000….10000 Вт/м³·⁰C, в то время как для барабанных сушилок он составляет на весь объём не более 500 Вт/м³·⁰C. В установках с кипящим слоем можно одновременно выполнять несколько процессов: сушку и обжиг, сушку и классификацию, сушку и гранулирование и т.д. К недостаткам таких сушилок относятся: повышенный расход электроэнергии, невысокая интенсивность процесса при сушке тонкодисперсных материалов, трудность организации сушки комкующихся материалов, громоздкость пылеулавливающих устройств и др.

По физической схеме взаимодействия влажной частицы с потоком сушильного агента сушка в псевдоожиженном слое является разновидностью конвективной сушки, и обезвоживание отдельной частицы также может идти как в периоде постоянной, так и в периоде падающей скорости сушки. При контакте влажного материала с нагретым воздухом (ожижающим агентом) начинаются испарение влаги с поверхности материала и диффузия образующегося пара через пограничный слой газа в окружающий воздух. В материале возникает градиент концентраций влаги, и она начинает перемещаться из внутренних слоёв к поверхности.

* К выполнению данной работы студенты приступают после проведения на стенде исследования гидродинамики псевдоожиженного слоя.

В начале процесса, пока влагосодержание U материала велико, влага, диффундирующая из внутренних слоёв к наружным, будет полностью смачивать поверхность материала, и испарение её происходит так же, как и со свободной поверхности жидкости. При постоянстве внешних условий (температуры воздуха, его влагосодержания, скорости и направления движения) скорость сушки dU/dτ, то есть масса влаги, испаряющейся из единицы массы материала за единицу времени, будет постоянной. В этом периоде сушки – периоде постоянной скорости или периоде внешней диффузии – испаряется свободная влага. Поскольку в период постоянной скорости сушки поверхность материала покрыта плёнкой влаги, которая испаряется при температуре «мокрого» термометра, то температура высушиваемого материала в этот период будет постоянной, приблизительно равной температуре «мокрого» термометра.

По мере испарения влаги, когда количество её становится меньше того, которое могло бы испариться, скорость сушки будет падать. Влагосодержание материала, при котором начинается период падающей скорости, называют критическим U_кр. Этот период – период падающей скорости сушки – длится до достижения равновесной влажности U_р.. В этот период скорость сушки обуславливается внутренней диффузией. Скорость внутренней диффузии зависит от структуры материала и его температуры и мало зависит от внешних условий. Температура материала в этот период постоянно возрастает и в конце сушки приближается к температуре сушильного агента. Описанный процесс сушки наглядно иллюстрируется кривыми сушки и кривыми скорости сушки (рис. 1, 2).

Скорость сушки выражается количеством влаги, удалённой в единицу времени, %/ч или 1/ч. Скорость сушки находят графическим дифференцированием кривой сушки, или разбив её на равные по времени участки с последующим делением величины убыли влаги в этих отрезках на длительность.

Продолжительность периода постоянной скорости сушки может быть определена по уравнению

τ₁ = 1/N (U_н – U_кр), (1)

где N = dU/dτ – скорость сушки в первом периоде, %/ч;

U_н, U_кр – начальное и критическое влагосодержания материала, считая на абсолютно сухое вещество, %.

Рис. 1. Кривые сушки и температуры

Рис. 2. Кривые скорости сушки и температуры

Продолжительность периода падающей скорости сушки в большинстве случаев можно найти только по экспериментальным данным. При инженерных расчётах допустимо предположение, что зависимость между скоростью сушки и влагосодержанием материала в течение всего периода падающей скорости сушки (от критического до равновесного влагосодержания) имеет прямолинейный характер (рис. 2). В этом случае продолжительность периода падающей скорости сушки можно определить по приближённому уравнению

τ₂ = 1/N[2,3 (U_кр. – U_р.) lg U_кр. – U_р./U₂ – U_р.], (2)

где U_р и U₂ – равновесное и конечное влагосодержания материала, считая на абсолютно сухое вещество, %.

Таким образом, зная скорость сушки в первом периоде, можно найти общую продолжительность процесса сушки:

τ_общ = τ₁ + τ₂, (3)

а также коэффициент теплоотдачи от сушильного агента (воздуха) к поверхности высушиваемого материала:

α_f = NrG_сух / F (t₁ – t_м), (4)

где r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; G_сух – вес абсолютно сухого материала, кг; F – поверхность высушиваемого материала, м²; t₁ – температура сушильного агента (воздуха) на входе в сушилку, ⁰C; t_м – температура «мокрого» термометра, ⁰C. Выражение (4) справедливо только для первого периода сушки.

При сушке во взвешенном состоянии, в связи с трудностью определения истинной поверхности зернистого материала, в расчёты обычно вводят объёмный коэффициент теплообмена, связанный с поверхностным коэффициентом α_f соотношением

α_v = F/V_к, (5)

где V_к – рабочий объём сушильной камеры, м³.

Для оценки интенсивности испарения влаги за весь процесс сушки иногда пользуются величиной, называемой обычно напряжением по влаге объёма камеры. Эта величина определяется количеством влаги, испаряемой за весь процесс, отнесённым к единице времени и единице объёма, и обозначается A_v. По определению

A_v = W/V_к·τ, (кг/м³ч), (6)

где W – количество влаги, удаленной за процесс сушки, кг;

V_к – рабочий объём камеры, м³; τ – длительность процесса сушки, час.

Приближенная зависимость между напряжением объёма по испаряемой влаге A_v и объёмным коэффициентом теплообмена имеет вид

A_v = α_v · Δt_ср/r_ср, (7)

где Δt_ср – средняя разность температур (потенциал переноса тепла), ⁰C.

С достаточной точностью средняя разность температур определяется по формуле

Δt_ср = (t₁ – θ₁) – (t₂ – θ₂)/2,3 lg t₁ – θ₁/t₂ – θ₂, (8)

где t₁ и t₂ – температуры сушильного агента (воздуха) соответственно на входе в сушилку и выходе из неё; θ₁ и θ₂ – температуры поверхности материала соответственно до и после сушки.

В приближенных инженерных расчётах можно допустить линейную зависимость температуры материала от его влажности (рис. 2), тогда

θ₂ = t_м + t₂ – t_м/U_кр – U_р (U_кр – U₂). (9)